DE102004061436B9

DE102004061436B9 - Method and control device for controlling a drive system under stochastic loads

Info

Publication number: DE102004061436B9
Application number: DE102004061436.9A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2021-12-16
Anticipated expiration: 2024-12-18
Also published as: DE102004061436B4; DE102004061436A1

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Antriebssystems unter stochastischen Belastungen in einem elektrisch-mechanischen Antriebsstrang, dadurch gekennzeichnet, dass zum regelgrößenelastischen Betrieb eine nichtlineare Kennlinien-Regelung vorsehen wird, wobei innerhalb eines vorgebbaren Regelgrößentoleranzbereiches um die Regelgröße eine Stellgrößenregelung und außerhalb des vorgebbaren Regelgrößentoleranzbereichs um die Regelgröße eine Regelgrößenregelung erfolgt.Method for regulating a drive system under stochastic loads in an electro-mechanical drive train, characterized in that a non-linear characteristic control is provided for operation with elastic control variables, with a control variable control within a prescribable control variable tolerance range around the control variable and a control variable control outside the prescribable control variable tolerance range around the control variable he follows.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Antriebssystems unter stochastischen Belastungen in einem elektrisch-mechanischen Antriebsstrang des Antriebssystems und eine Regeleinrichtung hierfür.The invention relates to a method for regulating a drive system under stochastic loads in an electrical-mechanical drive train of the drive system and a control device for this.

Ein Beispiel für ein Antriebssystem, das beim Betrieb stochastisch belastet wird, ist eine Zerkleinerungsvorrichtung, z.B. ein Shredder für Metallgegenstände, wie ein Schrott-Shredder für Fahrzeuge. Betriebsmessungen und Untersuchungen von Simulationen an solchen Zerkleinerungsvorrichtungen ergeben für das Betriebsverhalten des elektrisch-mechanischen Antriebsstrangs der Vorrichtung, also den elektrisch angetrieben Antriebsstrang mit mechanischen Komponenten, dass sich Lastspitzen aus dem Prozessraum in den Antriebsstrang bis zum speisenden Netz fortpflanzen. Bekannte Antriebssysteme mit hydrodynamischen Kupplungen weisen ein unzureichendes Dämpfungsvermögen im kupplungsabtriebsseitigen Strang auf, wodurch es zu Torsionsschwingungen im Bereich einer Gelenkwelle des Antriebssystems kommen kann, die in Form einer e-Funktion ausklingen. Darüber hinaus werden durch die Struktur des Antriebssystems mit zwei schlupfbehafteten Komponenten, einer Asynchronmaschine und einer hydrodynamischen Kupplung im Antriebsstrang bei hohen Belastungen unverhältnismäßig hohe Verluste verursacht.An example of a drive system that is stochastically loaded during operation is a shredding device, e.g. a shredder for metal objects, such as a scrap shredder for vehicles. Operational measurements and studies of simulations on such shredding devices show for the operating behavior of the electrical-mechanical drive train of the device, i.e. the electrically driven drive train with mechanical components, that load peaks are propagated from the process space into the drive train to the feeding network. Known drive systems with hydrodynamic clutches have inadequate damping capacity in the line on the clutch output side, which can lead to torsional vibrations in the area of a cardan shaft of the drive system, which fade away in the form of an e-function. In addition, the structure of the drive system with two components subject to slippage, an asynchronous machine and a hydrodynamic coupling in the drive train, causes disproportionately high losses under high loads.

Die US 5,929,700 A offenbart ein Regelungssystem mit einer Anlage mit Resonanz-Moden und einem Regler, der Anlageneingangssignale auf den Leitungen und von der Anlage empfängt und ein Reglerausgangssignal in Verbindung mit einem Filterausgangssignal ausgibt, das die Anlage regelt. Der Regler ist mit einem nichtlinearen Sperrfilter versehen, der ein Filtereingangssignal in Verbindung mit dem Anlageneingangssignal empfängt und das Filterausgangssignal ausgibt. Der Sperrfilter weist zumindest eine Sperrfrequenz nahe einer der Resonanz-Moden auf, um eine der Moden um einen vorbestimmten Betrag abzuschwächen, und weist eine Phasenverzögerung um eine Dekade unterhalb der untersten Sperrfrequenz des Sperrfilters auf, die niedriger als die eines entsprechenden linearen Sperrfilters ist. Hierbei wird es dem Regelsystem ermöglicht, ein schnelleres Zeitverhalten und eine vergrößerte Bandbreite als ein System zu zeigen, das lineare Sperrfilter verwendet.the U.S. 5,929,700 A discloses a control system having a resonant mode plant and a controller that receives plant input signals on the lines and from the plant and outputs a controller output signal in conjunction with a filter output signal that controls the plant. The controller is equipped with a non-linear notch filter, which receives a filter input signal in connection with the system input signal and outputs the filter output signal. The notch filter has at least one notch frequency close to one of the resonance modes in order to attenuate one of the modes by a predetermined amount, and has a phase delay by one decade below the lowest notch frequency of the notch filter, which is lower than that of a corresponding linear notch filter. This enables the control system to show a faster time response and an increased bandwidth than a system that uses linear notch filters.

Aus der US 4,471,281 A ist eine digitale Regelungseinrichtung mit einem ersten Regler, der ein Regelreferenzsignal einer ersten geregelten Variablen eines geregelten Systems erzeugt, einem ersten Frequenzwandler, der das geregelte Referenzsignal in Impulse einer zu dessen Größe proportionalen Frequenz wandelt, einem zweiten Frequenzwandler, der einen Messwert einer zweiten geregelten Variablen des geregelten Systems in Impulse einer dessen Größe proportionalen Frequenz wandelt, und einem zweiten Regler, der eine Differenz zwischen den Ausgangsimpulsen des ersten Frequenzwandlers und den Ausgangsimpulsen des zweiten Frequenzwandlers ermittelt und der die zweite geregelte Variable unter Verwendung der Differenz als Regelreferenzwert regelt, bekannt. Ferner ist ein Mikroprozessor optional korrespondierend zu speziellen Reglern vorgesehen, die sich von Standardreglern, wie beispielsweise nichtlinearen Reglern etc., unterscheiden. Ferner wird der digitale Regler, der für die geschlossene Regelschleifenfunktion, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, anwendbar ist, durch Kombinieren eines Impulsunterdrückers, eines Rückwärtszählers und eines Frequenzwandlers gebildet.From the U.S. 4,471,281 A is a digital control device with a first controller that generates a control reference signal of a first controlled variable of a controlled system, a first frequency converter that converts the controlled reference signal into pulses of a frequency proportional to its size, a second frequency converter that generates a measured value of a second controlled variable of the controlled system converts into pulses of a frequency proportional to its size, and a second controller which determines a difference between the output pulses of the first frequency converter and the output pulses of the second frequency converter and which controls the second controlled variable using the difference as a control reference value, known. Furthermore, a microprocessor is optionally provided corresponding to special controllers that differ from standard controllers, such as non-linear controllers, etc., for example. Further, the digital controller applicable to the closed loop function operating at high speed is constituted by combining a pulse suppressor, a down counter and a frequency converter.

Die DE 24 14 721 A1 offenbart ein Regelverfahren für umrichtergespeiste asynchrone Drehstrommaschinen, insbesondere Linearmotoren. Hierbei ist der Schubsollwert die Führungsgröße der Regelung, wobei der Stromsollwert in einem Schubregelkreis gebildet wird und der Motorstrom in einem Stromregelkreis derart geregelt wird, dass vorwiegend im unteren Geschwindigkeitsbereich, solange die maximale Umrichterausgangsspannung noch nicht erreicht ist, der Motorstrom durch Verstellung der Umrichterausgangsspannung geregelt wird, und im oberen Geschwindigkeitsbereich nach Erreichen der maximalen Umrichterausgangsspannung der Motorstrom durch Verstellen der Schlupffrequenz geregelt wird. Die Frequenz der Umrichterausgangsspannung entsteht durch Addition von Geschwindigkeitsistwert und Schubfrequenzsollwert. Die Regelabweichung wird radizierend bewertet und die Reglerkennwerte des Schubreglers und Stromreglers abhängig vom Arbeitspunkt der Antriebsmaschine selbsttätig verstellt. Im oberen und unteren Geschwindigkeitsbereich wird der Motorstrom mit demselben Regler durch Umschalten des Reglerausgangs von Verstellen der Umrichterausgangsspannung auf Verstellen der Schlupffrequenz geregelt. Eine konstante positive Spannung wird zur Stromreglerausgangsspannung derart addiert, dass bei Reglerausgangsspannung Null die maximale Umrichterausgangsspannung erreicht wird, so dass ohne Ändern der Amplitudenansteuerung der Schalter auf Beeinflussung der Schlupffrequenz umgelegt wird. Der Luftspalteinfluss und Temperatureinfluss werden durch Bewerten über entsprechende Kennlinien berücksichtigt.the DE 24 14 721 A1 discloses a control method for converter-fed asynchronous three-phase machines, in particular linear motors. Here, the thrust setpoint is the control variable, the current setpoint being generated in a thrust control loop and the motor current being controlled in a current control loop in such a way that the motor current is controlled by adjusting the inverter output voltage, primarily in the lower speed range, as long as the maximum converter output voltage has not yet been reached , and in the upper speed range, after reaching the maximum converter output voltage, the motor current is regulated by adjusting the slip frequency. The frequency of the converter output voltage is created by adding the actual speed value and the thrust frequency setpoint. The control deviation is evaluated using square roots and the control parameters of the thrust regulator and current regulator are automatically adjusted depending on the operating point of the drive machine. In the upper and lower speed range, the motor current is controlled with the same controller by switching the controller output from adjusting the converter output voltage to adjusting the slip frequency. A constant positive voltage is added to the current controller output voltage in such a way that the maximum converter output voltage is reached when the controller output voltage is zero, so that the switch is flipped to influence the slip frequency without changing the amplitude control. The air gap influence and the temperature influence are taken into account by evaluating them using appropriate characteristic curves.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Antriebssystems unter stochastischen Belastungen dahingehend zu konzipieren, dass die von bekannten Antriebssystemen bekannten Nachteile vermieden werden und eine hohe Prozessgüte, eine hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer der Regeleinrichtung und geringe Netzrückwirkungen bei deren Einsatz bzw. Durchführung des Verfahrens erzielt werden.The invention is therefore based on the object of conceiving a method and a control device for controlling a drive system under stochastic loads in such a way that the disadvantages known from known drive systems are avoided and a high process quality, high availability and service life of the Control device and low network perturbations can be achieved when using or implementing the method.

Die Aufgabe wird für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zum regelgrößenelastischen Betrieb eine nichtlineare Kennlinien-Regelung vorgesehen wird, wobei innerhalb eines vorgebbaren Regelgrößentoleranzbereichs um die Regelgröße eine Stellgrößenregelung und außerhalb des vorgebbaren Regelgrößentoleranzbereichs um die Regelgröße eine Regelgrößenregelung erfolgt. Für eine Regeleinrichtung nach Anspruch 11 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Regeleinrichtung einen nichtlinearen Kennlinien-Regler umfasst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The object is achieved for a method according to the preamble of claim 1 in that a non-linear characteristic control is provided for operation in a manner that is elastic to the controlled variable, with a controlled variable control taking place within a predeterminable controlled variable tolerance range around the controlled variable and a controlled variable control outside the predeterminable controlled variable tolerance range around the controlled variable. For a control device according to claim 11, the object is achieved in that the control device comprises a non-linear characteristic curve controller. Developments of the invention are defined in the dependent claims.

Dadurch wird ein Verfahren zum Regeln eines Antriebssystems unter stochastischen Belastungen geschaffen, bei dem eine Regelgröße bzw. eine optimale Regelgröße und ein Toleranzbereich um diese herum vorgegeben werden. Hieraus kann bestimmt werden, welche Art der Regelung erfolgt, je nach dem, ob sich die Werte innerhalb oder außerhalb des Toleranzbereichs befinden. Durch einen solchen nichtlinearen Kennlinien-Regler wird einerseits eine Toleranz des Antriebssystems gegenüber dynamischen Regelgrößenänderungen, also einer Regelgrößenelastizität, insbesondere Drehzahlelastizität, geschaffen. Andererseits werden im Mittel im Wesentlichen keine oder zumindest kaum Regelgrößenabweichungen von einer optimalen Regelgröße zugelassen. Der Wertebereich der optimalen Regelgröße ist prozessspezifisch und wird in den meisten Fällen auf einen konstanten Wert beschränkt. Das erfindungsgemäße Regelverfahren dient einer lastminimierenden Prozessregelung. Durch die Verwendung eines nichtlinearen Kennlinien-Reglers ist es dabei möglich, ein gutes Störverhalten des Regelkreises zu erhalten.This creates a method for regulating a drive system under stochastic loads, in which a controlled variable or an optimal controlled variable and a tolerance range around these are specified. From this it can be determined which type of regulation is carried out, depending on whether the values are within or outside the tolerance range. Such a non-linear characteristic curve controller creates, on the one hand, a tolerance of the drive system with respect to dynamic changes in controlled variables, that is to say a controlled variable elasticity, in particular speed elasticity. On the other hand, essentially no, or at least hardly any, control variable deviations from an optimal control variable are permitted on average. The value range of the optimal controlled variable is process-specific and in most cases is limited to a constant value. The control method according to the invention is used for load-minimizing process control. By using a non-linear characteristic curve controller, it is possible to obtain good interference behavior in the control loop.

In einer Anwendungsvariante wird als Stellgröße ein Drehmoment und als Regelgröße eine Drehzahl gewählt. Grundsätzlich kann das Verfahren zum Regeln auch mit anderen Stellgrößen und Regelgrößen durchgeführt werden. In den Fällen, in denen im Folgenden auf eine Drehzahl Bezug genommen wird, kann auch eine andere Regelgröße und in den Fällen, in denen auf ein Drehmoment Bezug genommen wird, auch eine andere Stellgröße verwendet werden.In one application variant, a torque is selected as the manipulated variable and a speed is selected as the controlled variable. In principle, the method for regulating can also be carried out with other manipulated variables and controlled variables. In the cases in which reference is made in the following to a speed, another controlled variable can also be used, and in cases in which reference is made to a torque, another manipulated variable can also be used.

Vorzugsweise regelt die nichtlineare Kennlinienregelung die Reglerausgangsgröße im Vergleich zur Reglereingangsgröße dahingehend, dass u=c+a · e^2b+1, wobei u die Reglerausgangsgröße, a der Bereich der Drehzahlelastizität, b der Gradient der Regelverstärkung außerhalb des Drehelastizitätsbereiches, e die Regeldifferenz bzw. Reglereingangsgröße und c der Ausgangswert des Reglers bei Regeldifferenz e gleich Null ist. C ist dabei eine Konstante. Durch diese Beziehung kann nicht nur ein gutes dynamisches Verhalten des Antriebssystems erzielt werden, sondern auch eine Eignung für den stationären Betrieb. Beim Betrieb mit Nenndrehzahl ist die Reglereingangsgröße e(s) null. Dadurch wird im Falle eines nicht existierenden Parameters c auch die Ausgangsgröße m_W,soll null und demzufolge auch das Wellenmoment m_W. Die Energiezufuhr in den Prozess wird damit unterbrochen, wodurch der Prozessablauf beeinträchtigt wird. Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung durch den nichtlinearen Kennlinien-Regler mit dem Wellenmoment im Antriebsstrang des Antriebssystems als Reglerausgangsgröße und der Differenz zwischen der Soll- und der Istdrehzahl als Reglereingangsgröße, wobei m_w,soll = c + a(n_soll - n_ist)^2b+1, wobei m_w,soll der Wellenmoment-Sollwert und n die Drehzahl ist. Durch die Darstellung der Funktion der zeitabhängigen Ausgangsgröße m_W,soll (t) als Funktion der Eingangsgröße e(t) wird der nichtlineare Regler definiert als ein Kennlinien-Regler mit eindeutigem Verlauf. Aufgrund seines S-förmigen Verlaufs (m_W,soll=f(e)) kann der nichtlineare Kennlinien-Regler auch als S-Kurven-Regler (SK-Regler) bezeichnet werden.Preferably, the non-linear characteristic control regulates the controller output variable in comparison to the controller input variable in such a way that u = c + a e ^{2b + 1} , where u is the controller output variable, a the range of the speed elasticity, b the gradient of the control gain outside the torsional elasticity range, e the control difference or Controller input variable and c is the output value of the controller when the control difference e is zero. C is a constant. Through this relationship, not only good dynamic behavior of the drive system can be achieved, but also suitability for stationary operation. When operating at the nominal speed, the controller input variable e (s) is zero. As a result, if the parameter c does not exist, the output variable m _{W, should also be} zero and consequently also the shaft torque m _W. The supply of energy to the process is thus interrupted, which affects the process flow. Particularly preferably, the regulation is carried out by the non-linear characteristic curve controller with the shaft torque in the drive train of the drive system as the controller output variable and the difference between the setpoint and actual speed as the controller input variable, where m _{w, soll} = c + a (n _soll - n _is ) ^{2b +1} , where m _{w is} the nominal shaft torque and n is the speed. By representing the function of the time-dependent output variable m _{W, soll} (t) as a function of the input variable e (t), the non-linear controller is defined as a characteristic curve controller with a clear profile. Because of its S-shaped course (m _{W, soll} = f (e)), the non-linear characteristic curve controller can also be referred to as an S curve controller (SK controller).

Der nichtlineare Kennlinien-Regler weist vorzugsweise die dynamische Übertragungsfunktion F_R(e)=a · e^2b und/oder F_R(n)=a(n_soll-n_ist)^2b auf, wobei a der Drehzahlelastizitätsbereich, b der Gradient der Regelverstärkung außerhalb des Drehzahlelastizitätsbereichs, e die Regeldifferenz und n die Drehzahl ist. Hierdurch kann ein bedarfsgerechter drehzahlelastischer Betrieb eines Antriebssystems erfolgen, unter Nutzung gespeicherter kinetischer Energie zur Lastkollektivminimierung. Vorteilhaft wird erfindungsgemäß das Antriebssystem im Mittel bei Nenndrehzahl betrieben und bei auftretenden Lastspitzen erforderliche Energie wird vorzugsweise aus rotierenden Massen in den Prozess eingespeist, um Einbußen beim Durchsatz zu vermeiden. Hierdurch kann ein lastkollektivminimierter Prozess durch eine optimale Regelung unter Nutzen von im Prozess vorhandenen Energiereserven vorgesehen werden.The non-linear characteristics regulator preferably has the dynamic transfer function F _R (s) = a · e ^2b and / or F _R (n) = a _(to n _-n) ^2b where a is the rotational speed range of elasticity, b, the gradient of the variable gain outside the speed elasticity range, e is the system deviation and n is the speed. As a result, a drive system can be operated at elastic speed as required, using stored kinetic energy to minimize the load spectrum. According to the invention, the drive system is advantageously operated on average at the nominal speed and the energy required when load peaks occur is preferably fed into the process from rotating masses in order to avoid losses in throughput. In this way, a process that is minimized to the load collective can be provided through optimal regulation using the energy reserves available in the process.

Bevorzugt erfolgt ein Übergang von der Stellgrößen- auf die Regelgrößenregelung bei einem Grenzwert der Regeldifferenz von e(s)=±0,1. Der Wert der Regeldifferenz e(s) als Grenzwert kann auch auf einen anderen Wert gesetzt werden. Der Wert von ±0,1 ergibt sich aus der maximal zulässigen Betriebsdrehzahlabweichung von einem optimalen Wert, also z.B. einer Nenndrehzahl, die beispielsweise auf einen Wert von ±10% von der optimalen Drehzahl festgelegt wird, die noch zulässig sein soll, um keine Verringerung der Prozessgüte zu riskieren. Bei einem Zerkleinerungsprozess, wie in einem Shredder, besteht eine nichtlineare Abhängigkeit der Prozessgüte von der Umfangsgeschwindigkeit der Schlagelemente der Zerkleinerungsvorrichtung bzw. der Rotordrehzahl. Hierdurch wird eine Drehzahlelastizität, also dynamische Drehzahländerung, um einen optimalen Betriebspunkt herum ermöglicht. Eine steigende Umfangsgeschwindigkeit der Schlagelemente (Hämmer) und die damit erzielte Erhöhung des Energieeintrages bei einem Zerkleinerungsvorgang führt zu einer deutlichen Reduzierung der mittleren Verweilzeit sowie der Größe der zerkleinerten Metallstücke im Zerkleinerungsraum. Je größer die Umfangsgeschwindigkeit der Schlagelemente wird, desto geringer wird die mittlere Verweilzeit der Metallstücke im Zerkleinerungsraum, wobei der Gradient der Verweildauer also mit steigender Umfangsgeschwindigkeit abnimmt. Die Verweilzeit und die Größe der zerkleinerten Metallstücke definieren unter anderem die Güte des Zerkleinerungsprozesses, welche mit der Abnahme der genannten Größen zunimmt. Gleichzeitig steigt mit der Umfangsgeschwindigkeit der Verschleiß im Zerkleinerungsraum, so dass ein Aufwand-Nutzen-Optimum für einen in Abhängigkeit von der Art der Zerkleinerungsvorrichtung bestimmten Drehzahlbereich ermittelt werden kann.A transition from control variable to controlled variable control preferably takes place at a limit value of the control difference of e (s) = ± 0.1. The value of the control difference e (s) as a limit value can also be set to another value. The value of ± 0.1 results from the maximum permissible operating speed deviation from an optimal value, e.g. a nominal speed, which is set, for example, to a value of ± 10% of the optimal speed that should still be permissible, so as not to reduce the Risking process quality. In a shredding process, such as in a shredder, there is a non-linear dependence of the process quality on the Circumferential speed of the impact elements of the shredding device or the rotor speed. This enables a speed elasticity, that is to say a dynamic speed change, around an optimal operating point. An increasing circumferential speed of the striking elements (hammers) and the resulting increase in the energy input during a comminution process leads to a significant reduction in the average residence time and the size of the comminuted metal pieces in the comminution room. The greater the circumferential speed of the striking elements, the lower the mean residence time of the metal pieces in the comminution chamber, the gradient of the residence time thus decreasing with increasing circumferential speed. The dwell time and the size of the crushed metal pieces define, among other things, the quality of the crushing process, which increases with the decrease in the sizes mentioned. At the same time, the wear in the shredding chamber increases with the circumferential speed, so that an optimum cost-benefit ratio can be determined for a speed range determined as a function of the type of shredding device.

Bei großtechnisch ausgeführten Zerkleinerungsvorrichtungen (Shredder) liegt der optimale Drehzahlbereich beispielsweise bei etwa 600 U/min. Da der Gradient der Verweildauer bei dieser Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit relativ klein ist, kann die Drehzahl des Antriebssystems um die optimale Drehzahl ohne nennenswerte Einbußen bei der Prozessgüte variieren. Dynamische Änderungen der Drehzahl von z.B. ± 10 % um eine optimale Drehzahl von z.B. 600 U/min herum üben keinen messbaren negativen Einfluss auf die Verweildauer bzw. den Durchsatz und damit auf die Prozessgüte aus. Mit dem erfindungsgemäßen Regler ist es bei einem Zerkleinerungsprozess also vorteilhaft möglich, eine dynamische Drehzahlvariabilität ohne negative Beeinflussung der Prozessgüte zu erzielen.In the case of large-scale shredding devices (shredders), the optimum speed range is, for example, around 600 rpm. Since the gradient of the dwell time at this speed or circumferential speed is relatively small, the speed of the drive system can vary around the optimal speed without significant losses in process quality. Dynamic changes in the speed of e.g. ± 10% around an optimal speed of e.g. 600 rpm have no measurable negative influence on the dwell time or the throughput and thus on the process quality. With the controller according to the invention it is therefore advantageously possible in a comminution process to achieve dynamic speed variability without negatively influencing the process quality.

Die Drehzahlelastizität ist für eine angestrebte Lastkollektivminimierung im elektrisch-mechanischen Antriebsstrang wichtig, wobei die Dämpfung der vom Prozess resultierenden Lastspitzen direkt von der Höhe der dynamischen Drehzahländerung und von deren Änderungsgeschwindigkeit abhängig ist und bei bestimmten rotierenden Massen die Dämpfung der Lastspitzen mit der Höhe der Drehzahländerung steigt. Gleichzeitig verringert sich in Abhängigkeit von der Höhe der Drehzahländerung die Prozessgüte. Diese Anforderungen des Prozesses an die Prozessregelung bzw. Drehzahlregelung einerseits und diejenigen betreffend die angestrebte Dämpfung der Lastspitzen andererseits stehen eigentlich im Widerspruch zueinander. Dennoch können sie mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung mit einem nichtlinearen Kennlinien-Regler erfüllt werden.The speed elasticity is important for a desired load spectrum minimization in the electro-mechanical drive train, whereby the damping of the load peaks resulting from the process is directly dependent on the magnitude of the dynamic speed change and its rate of change and with certain rotating masses the damping of the load peaks increases with the magnitude of the speed change . At the same time, the process quality is reduced depending on the level of the change in speed. These process requirements on the process control or speed control on the one hand and those relating to the desired damping of the load peaks on the other hand actually contradict each other. Nevertheless, they can be fulfilled with the control device according to the invention with a non-linear characteristic curve controller.

Bevorzugt ist ein stetiger Übergang der Stellgrößenregelung zu der Regelgrößenregelung vorgesehen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Unstetigkeit eines Wellenmoment-Sollwert-Signals beseitigt werden. Eine Unstetigkeit des Wellenmoment-Sollwert-Signals beispielsweise (sprungartige Änderung) führt zu dynamischen Drehmomentänderungen im Antriebsstrang, die ihrerseits zu Torsionsschwingungen im mechanischen Antriebsstrang führen und zusätzlich die Komponenten des Antriebsstrangs belasten können. Die Unstetigkeit des Wellenmoment-Sollwert-Signals beispielsweise kann durch einen stetigen Übergang zwischen den beiden Betriebsmodi des Drehzahlreglers, der Stellgrößenregelung und der Regelgrößenregelung, beseitigt werden. Die erforderlichen Verstärkungsfaktoren in den beiden Betriebsmodi sowie der Übergang können mit Hilfe einer Kennlinienfunktion in Abhängigkeit von der Regelabweichung bestimmt werden. Über den bereits oben genannten Parameter a, den Drehzahlelastizitätsbereich, kann die Form der Kurve in y-Richtung und damit die Öffnungsweite der Kennlinie bestimmt werden. Über den oben genannten Parameter b, den Gradienten der Regelverstärkung außerhalb des Drehelastizitätsbereiches, kann der Verlauf der Kennlinie beeinflusst werden, wobei sich die Kurve mit steigenden Werten für b immer enger an die X-Achse anschmiegt. Die sich ergebende Funktion erfüllt weitgehend die Anforderungen an die Übertragungsfunktion in den beiden Betriebsmodi.A continuous transition from the manipulated variable control to the controlled variable control is preferably provided. In this way, a discontinuity in a shaft torque setpoint signal can advantageously be eliminated. A discontinuity in the shaft torque setpoint signal, for example (sudden change), leads to dynamic torque changes in the drive train, which in turn lead to torsional vibrations in the mechanical drive train and can additionally load the components of the drive train. The discontinuity of the shaft torque setpoint signal, for example, can be eliminated by a continuous transition between the two operating modes of the speed controller, the manipulated variable control and the controlled variable control. The required gain factors in the two operating modes as well as the transition can be determined with the help of a characteristic function depending on the control deviation. The shape of the curve in the y-direction and thus the opening width of the characteristic curve can be determined via the parameter a already mentioned above, the speed elasticity range. The course of the characteristic curve can be influenced via the above-mentioned parameter b, the gradient of the control gain outside the torsional elasticity range, with the curve fitting closer and closer to the X-axis with increasing values for b. The resulting function largely meets the requirements for the transfer function in the two operating modes.

Vorzugsweise wird die maximale Stellgröße in Abhängigkeit vom Stellglied im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung der Regelstabilität begrenzt. Stellgröße ist bevorzugt das Drehmoment, Stellglied ist bevorzugt eine leistungselektronische Einrichtung, wie z.B. ein Umrichter. Bei einem realen Antriebssystem können weder das Drehmoment noch die Abweichung der Drehzahl unendlich groß werden. Durch den maximalen Stellbereich des Drehmoments, festgelegt durch die Auslegung des Stellglieds, insbesondere des Umrichters, können technische Grenzwerte der Regler-Kennlinie des nichtlinearen Kennlinien-Reglers bestimmt werden. Der Drehzahlbereich kann in Abhängigkeit von der Art des Prozesses festgelegt werden. Im Falle eines Zerkleinerungsprozesses werden vorzugsweise die unteren Grenzen des Drehzahlbereichs mit n_R=0 festgelegt, da keine Leistungsflussumkehr im Antriebsstrang möglich ist. Eine obere Grenze ist bei einem Zerkleinerungsprozess beispielsweise das 1,2-fache der Nenndrehzahl. Hieraus kann für die dynamischen Regelvorgänge die untere Grenze für das Drehmoment z.B. Δm_W,soll,min=-1 (m_W,soll=0) betragen. Die obere Grenze für das dynamische Drehmoment kann aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise zu maximal Δm_W,soll,maX=1 gewählt werden. Hiernach verläuft die Regler-Kennlinie vorzugsweise im ersten und dritten Quadranten des durch den Wellenmoment-Sollwert m_W,soll und die Regeldifferenz e aufgespannten Koordinatensystems. Die Kennlinie der Reglerausgangs- zur Regelgröße verläuft bevorzugt im Wesentlichen im zweiten und vierten Quadranten des durch die normierte Reglerausgangsgröße m_W,soll-1 und die normierte Regelgröße n_R-1 aufgespannten Koordinatensystems. Als Normierung wird hier die Verschiebung des Summenpunktes und somit der Kennlinie im Koordinatensystem um 1 bezeichnet.The maximum manipulated variable is preferably limited as a function of the actuator, essentially without impairing the control stability. The manipulated variable is preferably the torque; the final control element is preferably an electronic power device, such as a converter. In a real drive system, neither the torque nor the speed deviation can become infinitely large. The maximum setting range of the torque, determined by the design of the actuator, in particular the converter, allows technical limit values of the controller characteristic of the non-linear characteristic controller to be determined. The speed range can be set depending on the type of process. In the case of a comminution process, the lower limits of the speed range are preferably set with n _R = 0, since no power flow reversal is possible in the drive train. An upper limit for a shredding process is, for example, 1.2 times the rated speed. From this, the lower limit for the torque for the dynamic control processes can be, for example, Δm _{W, should, min} = -1 (m _{W, should} = 0). For technical and economic reasons, the upper limit for the dynamic torque can preferably be selected to be a maximum of Δm _{W, should, max} = 1. According to this, the regulator characteristic preferably runs in the first and third quadrants of the shaft torque setpoint m _{W, soll} and the control difference e Coordinate system. The characteristic curve of the controller output to the controlled variable preferably runs essentially in the second and fourth quadrant of the coordinate system _{spanned by the normalized controller output variable m W, soll} -1 and the normalized controlled variable n _{R -1.} The shifting of the summation point and thus the characteristic curve in the coordinate system by 1 is referred to as normalization.

Vorzugsweise ist das Antriebssystem eine umrichtergespeiste Drehstrommaschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, Synchronmaschine, oder eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine, insbesondere in Form einer untersynchronen oder übersynchronen Stromrichterkaskade, oder eine Asynchronmaschine mit dynamischer Kennlinienanpassung, insbesondere eine Asynchronmaschine unter Verwendung von pulweitenmodulierten Zusatzläuferwiderständen. Bei Vorsehen einer Asynchronmaschine mit Doppelspeisung ist das Stellglied im Läuferkreis angeordnet, was eine Einsparung von Kosten mit sich bringt, da nur 20% der Leistung benötigt werden.The drive system is preferably a converter-fed three-phase machine, in particular an asynchronous machine, synchronous machine, or a double-fed asynchronous machine, in particular in the form of a subsynchronous or oversynchronous converter cascade, or an asynchronous machine with dynamic characteristic curve adjustment, in particular an asynchronous machine using pulse-width modulated additional rotor resistors. If an asynchronous machine with double feed is provided, the actuator is arranged in the rotor circuit, which saves costs, since only 20% of the power is required.

Bevorzugt ist das Antriebssystem mit stochastischen Belastungen oder deterministischem Verlauf betreibbar, um eine Lastspitzenreduzierung oder -minderung zu erreichen. Alternativ zu einer bereits vorstehend genannten Zerkleinerungsvorrichtung in Form einer Shredder-Anlage kann der erfindungsgemäße Kennlinien-Regler auch beispielsweise bei einer Erz-Mühle verwendet werden. Auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln bei anderen stochastisch belasteten Antriebssystemen ist möglich. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers bei z.B. einer Zerkleinerungsvorrichtung kann eine Glättung von Lastspitzen im Antriebsstrang, eine Dämpfung von Torsionsschwingungen sowie eine hohe Prozessgüte, die sich durch einen hohen Durchsatz zeigt, erzielt werden.The drive system can preferably be operated with stochastic loads or a deterministic course in order to achieve a load peak reduction or reduction. As an alternative to the above-mentioned comminution device in the form of a shredder system, the characteristic curve controller according to the invention can also be used, for example, in an ore mill. The use of the control device according to the invention and the method according to the invention for controlling other stochastically loaded drive systems is also possible. By using a non-linear characteristic curve controller according to the invention in, for example, a shredding device, it is possible to smooth load peaks in the drive train, dampen torsional vibrations and achieve a high process quality, which is demonstrated by a high throughput.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen in:

1 eine Prinzipskizze einer mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung für ihr Antriebssystem versehenen Zerkleinerungsvorrichtung (Shredder),
2 eine Prinzipskizze eines vereinfachten Regelkreises des Shredder-Antriebssystems gemäß 1,
3 ein Blockschaltbild eines vereinfachten Drehzahlregelkreises für das Antriebssystem nach 1,
4 eine Darstellung des qualitativen Verlaufs der Regler-Übertragungskennlinie eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers, 5 eine graphische Darstellung der modifizierten Kennlinie eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers,
6 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines erfindungsgemäßen technischen nichtlinearen Kennlinien-Reglers,
7 vier Prinzipskizzen von verschiedenen Antriebssystemen,
8 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten der Zerkleinerungsvorrichtung gemäß 7 I) relevanten Systemgrößen,
9 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten der Zerkleinerungsvorrichtung gemäß 7 II) relevanten Systemgrößen,
10 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten der Zerkleinerungsvorrichtung gemäß 7 III) relevanten Systemgrößen, bei einer Reglerauslegung nach dem Symmetrischen Optimum mit a=2,
11 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten der Zerkleinerungsvorrichtung gemäß 7 III) relevanten Systemgrößen, bei einer Reglerauslegung nach dem Symmetrischen Optimum mit a=175,
12 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten der Zerkleinerungsvorrichtung gemäß 7 IV) relevanten Systemgrößen,
13 eine bildliche Darstellung der Zeitverläufe von für das Betriebsverhalten einer Zerkleinerungsvorrichtung relevanten Systemgröße, wobei die Zerkleinerungsvorrichtung eine durch einen erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Regler drehzahlgeregelte Asynchronmaschine mit einer Wellenmomentregelung aufweist,
14 eine graphische Darstellung der Zeitverläufe von Systemgrößen bei einer direkt am Netz betriebenen Asynchronmaschine, gemessen an einem hierfür konzipierten und aufgebauten Prüfstand
15 eine graphische Darstellung der Zeitverläufe von Systemgrößen bei einem drehzahlelastischen Antriebssystem unter Verwendung eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers, gemessen an einem hierfür konzipierten und aufgebauten Prüfstand,
16 eine graphische Darstellung einer relativen Häufigkeitsverteilung eines Lastkollektivs im Antriebsstrang (Wellenmoment) von vergleichend untersuchten Antriebskonzepten, und
17 eine Darstellung von drei Antriebssystemen, bei denen ein erfindungsgemäßer nichtlinearer Kennlinien-Regler verwendet wird.

For a more detailed explanation of the invention, exemplary embodiments are described in more detail below with reference to the drawings. These show in:

1 a schematic diagram of a shredding device (shredder) provided with a control device according to the invention for its drive system,
2 a schematic diagram of a simplified control loop of the shredder drive system according to 1 ,
3 a block diagram of a simplified speed control loop for the drive system according to 1 ,
4th a representation of the qualitative course of the controller transfer characteristic of a non-linear characteristic controller according to the invention, 5 a graphic representation of the modified characteristic curve of a non-linear characteristic curve controller according to the invention,
6th a graphical representation of the characteristic of a technical non-linear characteristic regulator according to the invention,
7th four basic sketches of different drive systems,
8th a pictorial representation of the time courses for the operating behavior of the shredding device according to FIG 7 I) relevant system parameters,
9 a pictorial representation of the time courses for the operating behavior of the shredding device according to FIG 7th II) relevant system variables,
10 a pictorial representation of the time courses for the operating behavior of the shredding device according to FIG 7th III) relevant system variables, with a controller design according to the symmetrical optimum with a = 2,
11th a pictorial representation of the time courses for the operating behavior of the shredding device according to FIG 7th III) relevant system variables, with a controller design according to the symmetrical optimum with a = 175,
12th a pictorial representation of the time courses for the operating behavior of the shredding device according to FIG 7th IV) relevant system variables,
13th a graphic representation of the time courses of system variables relevant to the operating behavior of a shredding device, the shredding device having an asynchronous machine with a shaft torque control speed-controlled by a non-linear characteristic controller according to the invention,
14th a graphical representation of the time courses of system variables in an asynchronous machine operated directly on the network, measured on a test bench designed and built for this purpose
15th a graphical representation of the time courses of system variables in a speed-elastic drive system using a non-linear characteristic controller according to the invention, measured on a test bench designed and built for this purpose,
16 a graphical representation of a relative frequency distribution of a load spectrum in the drive train (shaft torque) of comparatively examined drive concepts, and
17th a representation of three drive systems in which a non-linear characteristic controller according to the invention is used.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 20 mit einem erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Regler 21 versehenen Zerkleinerungsvorrichtung 10. Eine solche Zerkleinerungsvorrichtung stellt ein drehzahlelastisches Antriebssystem dar. Dabei wird die für den Prozess der Zerkleinerung erforderliche mechanische Leistung bzw. das Drehmoment durch eine über einen Zwischenkreisumrichter 30 gespeiste Asynchronmaschine 12 bereit gestellt. Die Einspeisung über den Zwischenkreisumrichter stellt einen drehzahlelastischen Betrieb sicher. Für eine erforderliche dynamische Regelung sorgt der Zwischenkreisumrichter durch eine interne Ständerstromregelung. Diese kann beispielsweise durch eine feldorientierte Regelung realisiert werden. 1 shows a schematic diagram of a control device according to the invention 20th with a non-linear characteristic controller according to the invention 21 provided shredding device 10 . Such a comminution device represents a speed-elastic drive system. In this case, the mechanical power or the torque required for the comminution process is provided by an intermediate circuit converter 30th powered asynchronous machine 12th provided. The supply via the DC link converter ensures speed-elastic operation. The DC link converter ensures the required dynamic control by means of an internal stator current control. This can be implemented, for example, by a field-oriented control.

Die Zerkleinerungsvorrichtung umfasst des Weiteren einen Zerkleinerungsraum 11, dem Schrott zugeführt werden kann. Zwischen Asynchronmaschine 12 und Zerkleinerungsraum 11 ist eine Bremseinrichtung 13 vorgesehen, um die von der Asynchronmaschine eingeleitete Drehbewegung der Antriebswelle 14 abbremsen zu können. Die Drehzahl der Drehbewegung der Antriebswelle 14 wird von einem in 1 nur angedeuteten Sensor 15 erfasst und an die Regeleinrichtung 20 als Regelgröße weitergegeben.The comminution device further comprises a comminution space 11th , to which scrap can be fed. Between asynchronous machine 12th and crushing room 11th is a braking device 13th provided for the rotational movement of the drive shaft initiated by the asynchronous machine 14th to be able to brake. The speed of rotation of the drive shaft 14th is operated by an in 1 only indicated sensor 15th recorded and sent to the control device 20th passed on as a controlled variable.

Die Regeleinrichtung 20 umfasst einen Technologie-Regler 22 und eine Umrichter-Reglereinheit 23. Der Kennlinien-Regler 21 ist Teil des Technologie-Reglers, ebenso ein diesem nachgeschalteter Wellenmoment-Regler 24 und ein Wellenmoment-Beobachter 25. Die Umrichter-Reglereinheit umfasst einen Motormoment-Regler 26 und einen Luftspaltmoment-Rechner 27, wobei das Ausgangssignal des Motormoment-Reglers 26 auf den Umrichter 30 mit Spannungszwischenkreis aufgeschaltet ist und der Luftspaltmoment-Rechner 27 dreiphasige Spannungs- und Stromwerte aus dem Zweig zwischen Umrichter und der Asynchronmaschine 12 erhält.The control device 20th includes a technology regulator 22nd and an inverter control unit 23 . The characteristic regulator 21 is part of the technology controller, as is a downstream shaft torque controller 24 and a wave moment observer 25th . The converter controller unit includes a motor torque controller 26th and an air gap torque calculator 27 , where the output signal of the engine torque controller 26th on the converter 30th with voltage intermediate circuit is connected and the air gap torque calculator 27 three-phase voltage and current values from the branch between the converter and the asynchronous machine 12th receives.

Der umrichterinternen Stromregelung wird die innere Regelung und die Prozessregelung bzw. Drehzahlregelung überlagert. Bei der inneren Regelung handelt es sich, wie bereits erläutert, um eine Wellenmomentregelung, welche einerseits die Aufgabe hat den Stellgrößenbedarf zu minimieren und andererseits die durch Lastspitzen angeregten Torsionsschwingungen im Antriebsstrang zu dämpfen. Die innere Regelung ist als einschleifige PID-Regelung ausgelegt und realisiert. Die Drehzahlregelung (Prozessregelung) ist mit dem Kennlinien-Regler realisiert. Der nichtlineare Regler 21 erlaubt eine Drehzahlelastizität im Bereich 0,9.n_nenn<n<1,1.n_nenn. Hierdurch kann die kinetische Energie der rotierenden Massen zur Glättung der Lastspitzen aus dem Prozessraum genutzt werden.The internal control and the process control or speed control are superimposed on the converter-internal current control. As already explained, the internal control is a shaft torque control which, on the one hand, has the task of minimizing the required manipulated variable and, on the other hand, of damping the torsional vibrations in the drive train caused by load peaks. The internal control is designed and implemented as a single-loop PID control. The speed control (process control) is implemented with the characteristic curve controller. The non-linear controller 21 allows a speed of elasticity in the range 0,9.n _call <n <1,1.n _call. This allows the kinetic energy of the rotating masses to be used to smooth the load peaks from the process space.

2 zeigt eine Prinzipskizze eines vereinfachten Regelkreises des Shredder-Antriebssystems nach 1. Der Regelkreis ist reduziert auf einen Drehzahlregler, einen inneren Regelkreis und die Berücksichtigung rotierender Massen, um die einzelnen Blöcke gemäß 1 besser zuordnen zu können. Regelgröße ist die Istdrehzahl n_ist, Führungsgröße ist die Solldrehzahl n_soll, die Regeldifferenz ist als e angegeben und die Stellgröße ist das Wellenmoment m_W. 2 shows a schematic diagram of a simplified control loop of the shredder drive system 1 . The control loop is reduced to a speed controller, an inner control loop and the consideration of rotating masses according to the individual blocks 1 to be able to assign better. The controlled variable is the actual speed n _ist , the reference variable is the target speed n _soll , the control difference is specified as e and the manipulated variable is the shaft torque m _W.

In 3 ist ein Blockschaltbild eines vereinfachten, jedoch gegenüber der Darstellung in 2 präzisierteren Drehzahlregelkreises mit einem inneren Wellenmoment-Regelkreis der Zerkleinerungsvorrichtung dargestellt. Das Führungsverhalten m_W/m_W.soll kann bei diesem mit guter Näherung durch ein PT1-Glied wiedergegeben werden. Die Übertragungsfunktion G_z(s) stellt einen für eine Störfunktion wirksamen Filter dar. Die Übertragungsfunktion G₂(s) steht für das Beschleunigungsverhalten der Rotormassen einer Shredder-Anlage bzw. Zerkleinerungsvorrichtung. Eine Berechnung des nichtlinearen Kennlinien-Reglers kann unter Verwendung der direkten Methode von Ljapunow erfolgen. Diese Methode ermöglicht qualitative Aussagen über die Stabilität der Regelung, ohne eine explizite Kenntnis der Lösungen der dem Regler zugehörigen Differentialgleichung zu benötigen.In 3 is a block diagram of a simplified, but compared to the representation in 2 More precise speed control loop shown with an inner shaft torque control loop of the shredding device. The management _behavior _{m W} / m W.soll can be reproduced with a good approximation by a PT1 element. The transfer function G _z (s) represents a filter effective for a disturbance function. The transfer function G ₂ (s) stands for the acceleration behavior of the rotor masses of a shredder system or size reduction device. The non-linear characteristic controller can be calculated using Lyapunov's direct method. This method enables qualitative statements about the stability of the control without explicit knowledge of the solutions of the differential equation associated with the controller.

In 4 ist der Verlauf der Reglerausgangsgröße m_W,soll in Abhängigkeit von der Reglereingangsgröße e, in 5 in Abhängigkeit von der Regelgröße n_R(t) dargestellt, wobei in 5 die Kennlinie bzw. der Summenpunkt in x- und y-Richtung um 1 verschoben ist, wodurch stationärer und dynamischer Betrieb abgedeckt bzw. dargestellt werden können. In beiden Fällen ist der nichtlineare Verlauf der Regler-Kennlinie bzw. Kennlinie der Reglerausgangsgröße zur -eingangsgröße deutlich erkennbar, wobei dieser die Form einer S-Kurve zeigt. In 6 ist im unteren Graphen ein vergrößerter Ausschnitt des oberen Graphen, der den Wellenmoment-Sollwert als Reglerausgangsgröße über der Drehzahl n_R aufträgt, gezeigt. Die im oberen Graphen grau unterlegten Bereiche geben die für die Zerkleinerungsvorrichtung relevanten Bereiche an, die schraffierten Bereiche in beiden Graphen markieren die Bereiche einer asymptotischen globalen Stabilität (siehe auch 5). Um eine Reaktion des Reglers aus der Ruhelage bei einer Verstärkung des Reglers K_R,dyn=a · e^2b=0 bei dynamischen Lastspitzen, welche vom Nennbetriebspunkt (Nenndrehzahl, Nennlast) ausgehen, zu erreichen, nimmt die Konstante c in der Gleichung für die Ermittlung des Wellenmoments den Wert eins an. Der Wert der Parameter a und b wird im Rahmen der Reglerauslegung nachfolgend bestimmt.In 4th is the course _{of the controller output variable m W, set} as a function of the controller input variable e, in 5 as a function of the controlled variable n _R (t), where in 5 the characteristic curve or the summation point is shifted by 1 in the x and y directions, which means that stationary and dynamic operation can be covered or represented. In both cases, the non-linear course of the controller characteristic curve or characteristic curve of the controller output variable to the input variable is clearly recognizable, this showing the form of an S-curve. In 6th the lower graph shows an enlarged section of the upper graph, which plots the shaft torque setpoint as a controller output variable over the speed n _R. The areas highlighted in gray in the upper graph indicate the areas relevant for the shredding device, the hatched areas in both graphs mark the areas of asymptotic global stability (see also 5 ). In order to achieve a reaction of the controller from the rest position to a gain of the controller K _{R, dyn} = a · e ^2b = 0 in the case of dynamic load peaks which start from the rated operating point (rated speed, rated load), the constant c increases in the Equation for the determination of the shaft torque the value one. The value of parameters a and b is determined below in the context of the controller design.

Vorteilhaft erlaubt der Prozess der Zerkleinerung eine dynamische Drehzahlvariabilität, ohne dass die Güte des Prozesses negativ beeinflusst wird. In einem vorbestimmbaren Drehzahlbereich um die optimale Drehzahl hat die Erfüllung der Forderung nach Dämpfung der Lastspitzen aus dem Prozessraum Vorrang. Eine Abweichung der Betriebsdrehzahl vom optimalen Wert (Nenndrehzahl) der Größenordnung des ± 0,1-fachen der Nenndrehzahl kann zugelassen werden. Außerhalb des zulässigen Drehzahlbereiches hat der Drehzahlregler zunächst die Aufgabe, die Drehzahl zu korrigieren. Es wird also, solange die Drehzahl sich in dem vorgegebenen Bereich befindet, eine Drehmomentregelung mit m_W,soll=1 (Wellenmomentregelung) realisiert. Beim Überschreiten des gesetzten Grenzwertes von e(s)g=±0,1 wird auf eine Drehzahlregelung umgeschaltet. Die unendlich hohe Verstärkung des Reglers soll eine sehr schnelle Korrektur der Drehzahl gewährleisten. Der Verlauf des Drehmomentes bewegt sich beispielsweise für 95 % der Betriebszeit unter dem 1,5-fachen des Nennwertes.The comminution process advantageously allows dynamic speed variability without negatively affecting the quality of the process. In a predeterminable speed range around the optimal speed, the fulfillment of the requirement for damping the load peaks from the process space has priority. A deviation of the operating speed from the optimal value (nominal speed) of the order of magnitude of ± 0.1 times the nominal speed can be permitted. Outside the permissible speed range, the speed controller first has the task of correcting the speed. As long as the speed is in the specified range, torque control with m _{W, soll} = 1 (shaft torque control) is implemented. When the set limit value of e (s) g = ± 0.1 is exceeded, a switch is made to speed control. The infinitely high gain of the controller is intended to ensure that the speed is corrected very quickly. For example, the torque curve is below 1.5 times the nominal value for 95% of the operating time.

Unter der Annahme, dass der Parameter b, der den Gradienten der Regelverstärkung außerhalb des Drehelastizitätsbereiches angibt, einen Wert von eins annimmt, folgt, dass der Parameter a, der den Bereich der Drehzahlelastizität angibt, einen Wert von a=500 annimmt. Wenn man den maximal möglichen Stellbereich des Umrichters als Stellglied nutzt, ergibt sich dadurch für den nichtlinearen Kennlinien-Regler eine Kennlinie mit m_W,soll= 1+ 500 (1-n_R) ³ für n_R=1±0,125 , m_W,soll=2 für n_R≤0, 875, und m_W,soll=0 für n_R≥1,125 (siehe 6). Die Auslegung des Reglers, welche vorzugsweise unter Berücksichtigung der technischen Grenzwerte durchgeführt wird, führt zu einer globalen asymptotischen Stabilität für alle Drehzahlen n_R. Dieses ist auch in der graphischen Darstellung in 5, welche den Sektor für die globale asymptotische Stabilität und die Kennlinie des technischen Reglers wiedergibt, zu erkennen.Assuming that the parameter b, which specifies the gradient of the control gain outside the torsional elasticity range, assumes a value of one, it follows that the parameter a, which specifies the range of the speed elasticity, assumes a value of a = 500. If the maximum possible setting range of the converter is used as an actuator, the result for the non-linear characteristic controller is a characteristic with m _{W, soll} = 1+ 500 (1-n _R ) ³ for n _R = 1 ± 0.125, m _{W, soll} = 2 for n _R ≤0.875, and m _{W, soll} = 0 for n _R ≥1.125 (see 6th ). The design of the controller, which is preferably carried out taking into account the technical limit values, leads to global asymptotic stability for all speeds n _R. This is also shown in the graph in 5 which shows the sector for the global asymptotic stability and the characteristic curve of the technical controller.

In 7 sind vier verschiedene Aufbauten von Antriebssystemen gezeigt, wobei lediglich die letzte Variante einen erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Regler aufweist. Die erste Prinzipskizze zeigt eine Zerkleinerungsvorrichtung (Shredder), wobei die diese antreibende Asynchronmaschine direkt am Netz betrieben wird und ohne eine hydrodynamische Kupplung direkt mit der Zerkleinerungsvorrichtung verbunden ist. Im zweiten Fall ist eine hydrodynamische Kupplung zwischen Asynchronmaschine und Zerkleinerungsvorrichtung geschaltet, um den Verschleiß bei Lastwechseln beim Betrieb der Anlage zu vermindern. Die dritte Variante zeigt eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einer Drehzahlregelung, wobei sowohl als Drehzahlregler als auch als Drehmomentregler ein PI-Regler vorgesehen ist. Die letzte Variante, bei der ebenfalls eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine verwendet wird, verwendet jedoch einen erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Regler als Drehzahlregler. Die Asynchronmaschine ist drehzahlgeregelt, wobei die Drehzahlregelung der inneren Umrichter-Stromregelung überlagert ist.In 7th four different structures of drive systems are shown, only the last variant having a non-linear characteristic controller according to the invention. The first schematic diagram shows a shredding device (shredder), the asynchronous machine driving it being operated directly on the network and being connected directly to the shredding device without a hydrodynamic coupling. In the second case, a hydrodynamic coupling is connected between the asynchronous machine and the shredding device in order to reduce wear when the load changes during operation of the system. The third variant shows a converter-fed asynchronous machine with speed control, a PI controller being provided both as speed controller and as torque controller. The last variant, in which a converter-fed asynchronous machine is also used, however, uses a non-linear characteristic curve controller according to the invention as a speed controller. The asynchronous machine is speed-controlled, with the speed control being superimposed on the internal converter current control.

In den 8 bis 13 sind Drehzahl- und Drehmoment-Zeitverläufe für die in 7 dargestellten verschiedenen Antriebssysteme gezeigt. Als oberster Graph ist jeweils die Lasteingangsfunktion dargestellt. Die Lasteingangsfunktion weist einen impulsförmigen Verlauf auf, entsprechend dem bei einer Zerkleinerungsvorrichtung üblichen Belastungsverlauf aufgrund des Einwirkens der Schlagelemente (Hämmer) auf die zu zerkleinernden Metallpakete (gepresste Fahrzeugpakete). Die Frequenz beträgt beispielsweise 0 bis 120 Hz, insbesondere 5 bis 20 Hz, wobei letzterer Bereich etwa mit der ersten Eigenresonanz des Antriebsstrangs von großtechnischen Zerkleinerungsvorrichtungen übereinstimmt und somit ein riskanter Frequenzbereich ist.In the 8th until 13th are speed and torque time curves for the in 7th shown different drive systems. The load input function is shown as the top graph. The load input function has a pulse-shaped profile, corresponding to the usual load profile in a shredding device due to the action of the striking elements (hammers) on the metal packages to be shredded (pressed vehicle packages). The frequency is, for example, 0 to 120 Hz, in particular 5 to 20 Hz, the latter range roughly coinciding with the first natural resonance of the drive train of large-scale shredding devices and thus being a risky frequency range.

8 ist zu entnehmen, dass bei Auftreten der Last durch Einbringen eines zu zerkleinernden Metallpakets in die Zerkleinerungsvorrichtung die Drehmomente in entsprechendem Maße schlagartig ansteigen und die Drehzahl absinkt. Bei Vorsehen einer hydrodynamischen Kupplung zeigt das Wellenmoment bei Einwirken der Last einen Anstieg bis zum Betrag des von der Kupplung maximal übertragbaren Drehmoments (siehe 9). Dieses kann auf das 1,5-fache des Nennmoments begrenzt sein. Der Drehmomentanstieg kann im kupplungsabtriebsseitigen Teilantriebsstrang 142 und im kupplungsantriebsseitigen Teilantriebsstrang 141 beobachtet werden. Dem Drehmoment-Zeitverlauf im kupplungsabtriebsseitigen Teilantriebsstrang 142 kann zusätzlich eine Torsionsschwingung überlagert sein, was auf die Kennlinien-Charakteristik der hydrodynamischen Kupplung zurückzuführen ist. Der Wellenmoment-Zeitverlauf in 8 zeigt für das Antriebssystem ohne eine hydrodynamische Kupplung ein höheres Dämpfungsvermögen und daher geringere Torsionsschwingungen. Aufgrund der im Vergleich zum Vorsehen einer hydrodynamischen Kupplung fehlenden Drehmomentbegrenzung kann ein höherer Anstieg des Wellenmoments beobachtet werden. Außerdem tritt auch eine Fortpflanzung der Lastspitzen im Antriebsstrang auf, was sich neben dem eher schlechten Hochlauf der Anlage ebenfalls als nachteilig erweist. 8th it can be seen that when the load occurs by introducing a metal package to be shredded into the shredding device, the torques suddenly increase and the speed decreases accordingly. If a hydrodynamic coupling is provided, the shaft torque when the load is applied increases up to the amount of the maximum torque that can be transmitted by the coupling (see 9 ). This can be limited to 1.5 times the nominal torque. The increase in torque can be observed in the drive train part 142 on the clutch output side and in the drive train part 141 on the clutch drive side. A torsional oscillation can additionally be superimposed on the torque-time profile in the drive train part 142 on the clutch output side, which can be attributed to the characteristic curve of the hydrodynamic clutch. The wave torque time course in 8th shows a higher damping capacity and therefore lower torsional vibrations for the drive system without a hydrodynamic coupling. Due to the lack of torque limitation in comparison to the provision of a hydrodynamic coupling, a higher increase in the shaft torque can be observed. In addition, there is also a propagation of the load peaks in the drive train, which, in addition to the rather poor start-up of the system, also proves to be disadvantageous.

Demgegenüber liefert die dritte Art eines Antriebssystems mit einer Drehzahlregelung unter Verwendung zweier PI-Regler bessere Ergebnisse, wie 10 und 11 entnommen werden kann. In 10 ist der Auslegungsfaktor der Reglerauslegung nach dem Symmetrischen Optimum zu 2 und in 11 zu 175 gewählt. Dabei kann die Lastspitze im Antriebsstrang vom 5-fachen Nennmoment (Auslegungsfaktor 2) auf das 2-fache (Auslegungsfaktor 175) reduziert werden. In contrast, the third type of drive system with speed control using two PI controllers delivers better results, such as 10 and 11th can be taken. In 10 is the design factor of the controller design according to the symmetrical optimum to 2 and in 11th elected to 175. The peak load in the drive train can be reduced from 5 times the nominal torque (design factor 2) to 2 times (design factor 175).

Allerdings kann das dynamische Verhalten des nichtlinearen Kennlinien-Reglers nicht annähernd erreicht werden.However, the dynamic behavior of the non-linear characteristic controller cannot even come close.

In 12 sind die Graphen für eine unter Verwendung eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers drehzahlgeregelte Asynchronmaschine gezeigt. Durch die Kombination des nichtlinearen Kennlinien-Reglers 21 als ein eine hochdynamische Elastizität realisierender Drehzahlregler mit einer inneren Regelung als Wellenmomentregelung, wie in 13 gezeigt, können die Lastspitzen im Antriebsstrang auf das 1,1-fache des Nennmoments reduziert werden. Die noch überlagerten Torsionsschwingungen weisen eine Amplitude von 12% des Nennmoments auf. Dem Vergleich der 12 und 13 kann die Wirkung der inneren Regelung zur Lastkollektivminimierung entnommen werden, wobei der Wellenmoment-Zeitverlauf Torsionsschwingungen mit einer Amplitude bis zum 0,5-fachen des Nennmoments anzeigt. Durch den Einsatz einer Wellenmomentregelung kann die Torsionsschwingung um den Faktor 4 gedämpft werden (siehe 13).In 12th the graphs are shown for an asynchronous machine speed-controlled using a non-linear characteristic controller according to the invention. Through the combination of the non-linear characteristic controller 21 as a speed controller realizing a highly dynamic elasticity with an internal control as shaft torque control, as in 13th shown, the load peaks in the drive train can be reduced to 1.1 times the nominal torque. The torsional vibrations that are still superimposed have an amplitude of 12% of the nominal torque. The comparison of the 12th and 13th the effect of the internal regulation for minimizing the load spectrum can be seen, whereby the wave torque-time curve shows torsional vibrations with an amplitude of up to 0.5 times the nominal torque. By using a shaft torque control, the torsional vibration can be dampened by a factor of 4 (see 13th ).

Die Amplitude der durch die Lasteingangsfunktion angeregten Torsionsschwingungen im mechanischen Antriebsstrang lässt sich durch die Wellenmomentregelung auf 13% des Nennmoments gegenüber 70% bei einem System der direkt am Netz betriebenen Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer reduzieren, wie sie in 7 gezeigt ist. Der deutliche Unterschied im Dämpfungsvermögen bei auftretenden Lastspitzen zwischen diesen beiden System kann dem Vergleich der Ergebnisse von Betriebsmessungen an einem Prüfstand den 14 und 15 entnommen werden. Hierbei ist eine Reduzierung der Lastspitzen auf etwa 15% des Nennmoments mit dem drehzahlelastischen Antriebssystem möglich.The amplitude of the torsional vibrations in the mechanical drive train excited by the load input function can be reduced to 13% of the nominal torque by the shaft torque control compared to 70% in a system of asynchronous machines with squirrel cage operated directly on the mains, as shown in 7th is shown. The clear difference in the damping capacity between these two systems when peak loads occur can be compared with the results of operational measurements on a test bench 14th and 15th can be removed. The load peaks can be reduced to around 15% of the nominal torque with the speed-elastic drive system.

Das Aufgeben einer theoretischen Leistungseingangsfunktion bietet den Vorteil der Reproduzierbarkeit, so dass alle Antriebskonzepte mit exakt dem gleichen Zeitverlauf der Leistungseingangsfunktion getestet werden können. Als Kriterium für den Vergleich der Antriebskonzepte kann der Zeitverlauf des Wellenmomentes herangezogen werden. Die Zeitverläufe des Wellenmomentes zeigen, dass das Konzept eines drehzahlelastischen Zerkleinerungsvorrichtungsantriebssystems eine nennenswerte Dämpfung der Lastspitzen sowie der Torsionsschwingungen mit sich bringt.Abandoning a theoretical power input function has the advantage of reproducibility, so that all drive concepts can be tested with exactly the same time curve of the power input function. The time curve of the shaft torque can be used as a criterion for the comparison of the drive concepts. The time curves of the shaft torque show that the concept of a speed-elastic shredding device drive system entails significant damping of load peaks and torsional vibrations.

Das Dämpfungsvermögen eines solchen Systems hängt allerdings auch noch von der Wahl der Massenverteilung im mechanischen Antriebsstrang, der passiven Dämpfung, wie der Materialdämpfung, der Reibung etc. und der Dynamik und den Stellreserven des eingesetzten Stellgliedes ab.The damping capacity of such a system also depends on the choice of mass distribution in the mechanical drive train, passive damping such as material damping, friction, etc. and the dynamics and control reserves of the actuator used.

Ausgehend von den Anforderungen zur Erhöhung der Verfügbarkeit und des Ausnutzungsgrades durch die Lastkollektivminimierung im Antriebsstrang sind auch realitätsnahe Untersuchungen mit stochastischen Belastungsverläufen an einer Versuchsshredder-Anlage durchgeführt worden. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Häufigkeitsverteilung des Lastkollektivs als Grundlage der Bewertung der Systeme zu verwenden. Zwischen der Häufigkeitsverteilung des Lastkollektivs und der Lebensdauer sowie der Verfügbarkeit besteht ein direkter Zusammenhang. In 16 ist eine graphische Darstellung der relativen Häufigkeitsverteilung des Lastkollektivs im Antriebsstrang am Beispiel des Wellenmoments bei einer Zerkleinerungsvorrichtung mit erfindungsgemäßem nichtlinearen Kennlinien-Regler im Vergleich zu anderen Antriebssystemen gezeigt. Zwischen der Häufigkeitsverteilung des Lastkollektivs und der Lebensdauer sowie der Verfügbarkeit besteht ein direkter Zusammenhang. In 16 ist beim Vergleich der einzelnen Graphen eine Verschiebung der Verteilung des Lastkollektivs zu niedrigeren Amplituden hin erkennbar. Die Kurve der Häufigkeitsverteilung ist für die direkt am Netz betriebene Asynchronmaschine, aber auch für die drehzahlgeregelte Asynchronmaschine deutlich schlechter als bei dem drehzahlelastischen Zerkleinerungsvorrichtungs-Antriebssystem.Based on the requirements for increasing the availability and the degree of utilization by minimizing the load spectrum in the drive train, realistic investigations with stochastic load profiles have also been carried out on a test shredder system. It has proven to be useful to use the frequency distribution of the load spectrum as the basis for evaluating the systems. There is a direct relationship between the frequency distribution of the load spectrum and the service life and availability. In 16 is a graphic representation of the relative frequency distribution of the load spectrum in the drive train using the example of the shaft torque in a shredding device with a non-linear characteristic controller according to the invention in comparison to other drive systems. There is a direct relationship between the frequency distribution of the load spectrum and the service life and availability. In 16 When comparing the individual graphs, a shift in the distribution of the load spectrum towards lower amplitudes can be seen. The frequency distribution curve for the asynchronous machine operated directly on the network, but also for the speed-controlled asynchronous machine, is significantly worse than for the speed-elastic shredding device drive system.

Die am Beispiel eines Shredder-Betriebes durchgeführten Betrachtungen weisen auf die Vorteile des erfindungsgemäßen nichtlinearen Kennlinien-Reglers hin, die auch bei anderen verfahrenstechnischen Anlagen mit ähnlicher Kollektivbelastung mit diesem erzielt werden können. Drei Beispiele weiterer Antriebssysteme sind in 17 gezeigt, wobei die oberste Darstellung eine Asynchronmaschine mit dynamischer Kennlinienanpassung, die mittlere Darstellung eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine mit einer Drehzahlregelung unter Verwendung des nichtlinearen Kennlinien-Reglers 21 und die untere Darstellung eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einer Drehzahlregelung unter Verwendung des nichtlinearen Kennlinien-Reglers 21 skizziert.The observations carried out using the example of a shredder operation point to the advantages of the non-linear characteristic curve controller according to the invention, which can also be achieved with other process engineering systems with a similar collective load. Three examples of other drive systems are in 17th shown, with the top representation an asynchronous machine with dynamic characteristic curve adaptation, the middle representation a double-fed asynchronous machine with a speed control using the non-linear characteristic curve controller 21 and the lower illustration shows a converter-fed asynchronous machine with speed control using the non-linear characteristic controller 21 outlined.

Claims

Method for regulating a drive system under stochastic loads in an electro-mechanical drive train, thereby characterized in that a non-linear characteristic curve control is provided for the controlled variable-elastic operation, with a control variable control taking place within a predeterminable controlled variable tolerance range around the controlled variable and a controlled variable control outside the predeterminable controlled variable tolerance range around the controlled variable.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the manipulated variable is a torque (m) and the controlled variable is a speed (n).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the non-linear characteristic control regulates the controller output variable in comparison to the controller input variable in such a way that u = c + a e ^{2b + 1} , where u is the controller output variable, a the range of the speed elasticity, b the gradient of the control gain outside the torsional elasticity range, e the control difference or controller input variable and c is the output value of the controller when the control difference e is equal to zero.

Procedure according to Claim 3 , characterized in that the control is carried out by the non-linear characteristic controller (21) with a shaft torque (mw) in the drive train of the drive system as the controller output variable and the difference between the setpoint and actual speed as the controller input variable, where m _{w, soll} = c + a (n _to _-n) ^{2b + 1,} wherein m _W.soll the shaft torque command value and n is the rotational speed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a transition from the manipulated variable to the controlled variable control takes place at a limit value of the control difference of e (s) = ± 0.1.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transition from the manipulated variable control to the controlled variable control takes place continuously.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum manipulated variable is limited as a function of the actuator essentially without impairing the control stability.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that the actuator is an electronic power device, in particular a converter (30).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the drive system is operated on average at the nominal speed and when load peaks occur, the required energy is fed into the process from rotating masses in order to avoid losses in throughput.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the characteristic curve of the controller output to the controlled variable is essentially in the second and fourth quadrant of the coordinate system _{spanned by} the normalized controller output variable (m w.soll -1) and the normalized controlled variable (n _{R -1)} runs.

Control device (20) for controlling an electro-mechanical drive system under stochastic loads, characterized in that the control device (20) comprises a non-linear characteristic curve controller (21).

Control device (20) Claim 11 , Characterized in that the non-linear characteristic controller (21), the dynamic transfer function F _R (s) = a · e ^2b and / or F _R (n) = a _(to n _-n) ^{2 b,} wherein a is the speed range of elasticity , b is the gradient of the rule gain outside the speed elasticity range, e is the control difference and n is the speed.

Control device (20) Claim 11 or 12th , characterized in that the controller characteristic runs in the first and third quadrants of the _{coordinate system spanned by the controller output variable (m w, soll} ) and the controller input variable (e).

A drive system which can be operated under stochastic loading and has a control device (20) according to one of the Claims 11 until 13th or operated by a method according to one of the Claims 1 until 10 .

Drive system according to Claim 14 , characterized in that the drive system is a converter-fed three-phase machine, in particular an asynchronous machine, synchronous machine, or a double-fed asynchronous machine, in particular in the form of a subsynchronous or oversynchronous converter cascade, or an asynchronous machine with dynamic characteristic curve adjustment, in particular an asynchronous machine using pulse-width-modulated additional rotor resistors.

Drive system according to Claim 14 or 15th , characterized in that the drive system can be operated with stochastic loads or a deterministic course to reduce load peaks.

Drive system according to Claim 16 , characterized in that the drive system is a Comminution device (10), in particular a shredder system or ore mill.