-
Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zum Entkoppeln mehrfach geregelter
oder gesteuerter linearer oder um den Arbeitspunkt linearisierbarer Syysteme.
-
Bei Regelstrecken, an denen mehrere Größen geregelt werden, tritt
vielfach eine gegenseitige Beeinflussung der Regelgrößen auf. Außerdem wird hierdurch
die Güte der Regelung beeinträchtigt. Es kann sogar vorkommen, daß die Änderung
der Regelparameter wirkungslos bleibt, wenn das System auf Grund der Konstruktion
der Regelstrecke ungünstig bemessen ist. Dies kann schließlich zu Instabilitäten
führen.
-
Da sich z. B. bei Folge- und Zeitplanregelungen und -steuerungen die
gegenseitige Beeinflussung auf die Arbeitsweise der geregelten Anlage ungünstig
auswirkt, hat man bereits versucht, die einzelnen Regelgrößen voneinander zu entkoppeln.
-
Im folgenden soll unter einer P-kanonischen Struktur ein System mit
n Ein- und Ausgangsgrößen verstanden sein, wobei jede Ausgangsgröße von allen Eingangsgrößen
abhängt, und zwar derart, daß eine Eingangsgröße Y1 direkt auf die Ausgangsgröße
X;
wirkt und nicht erst über die Ausgangsgröße Xi.
-
Unter einer V-kanonischen Struktur versteht man ein System mit n Ein-
und Ausgangsgrößen, wobei jede Ausgangsgröße nur von der zugehörigen Eingangsgröße
sowie von allen anderen Ausgangsgrößen abhängt. Hierbei gilt, daß die Ausgangsgröße
X-direkt auf die Ausgangsgröße Xj wirkt, während die Eingangsgröße Y, erst über
die Ausgangsgröße XL auf X; wirkt.
-
Es sind bereits Bemessungsregeln für eine Entkopplung an den Reglern
angegeben worden. Die dabei angegebenen Entkopplungsbedingungen bestehen jedoch
schon für P-kanonische Mehrfachregelstrecken mit mehr als zwei Regelgrößen aus Determinanten
von Übertragungsfunktionen, so daß die Realisierung der Entkopplungsbedingungen
einen verhältnismäßig hohen Aufwand erfordert. Die erforderlichen Baugruppen sind
so kompliziert, daß von einer praktischen Lösung abgesehen werden mußte.
-
Es sind noch weitere Lösungswege bekanntgeworden, die jedoch nur einzelne
spezielle Lösungen betreffen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Netzwerk der eingangs
genannten Art zu schaffen, welches auch bei Regel- oder Steuersystemen höherer Ordnung
mit tragbarem Aufwand realisierbar ist.
-
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß
das Entkopplungsnetzwerk zwischen dem Regler und der Regelstrecke vor der Regel-
bzw. Steuerstrecke angeordnet ist und von V-kanonischer Struktur ist, wenn die Regel-
bzw. Steuerstrecke von P-kanonischer Struktur ist, und P-kanonischer Struktur ist,
wenn die Regel- bzw. Steuerstrecke V-kanonischer Struktur ist.
-
Hierdurch ergeben sich einfachere Entkopplungsnetzwerke, da die Entkopplungsbedingungen
sich nur als Quotient zweier Regelstreckenübertragungsfunktionen darstellen.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Blockschaltbildern näher
erläutert.
-
F i g.1 ist ein Schaltbild eines Systems, wobei die eigentliche Regelstrecke
und das Entkopplungsnetzwerk P-kanonisch sind; F i g. 2 ist ein System, bei dem
ein Entkopplungsnetzwerk nach der Erfindung verwendet ist; F i g. 3 zeigt ein Regelsystem,
bei dem das Entkopplungsnetzwerk zwischen Regler und Regelstrecke eingefügt ist.
-
F i g. 1 ist ein Schaltbild in Blockdarstellung eines bekannten Systems
mit einer Regelstrecke 1 und einem Entkopplungsnetzwerk 2, die jeweils P-kanonisch
ausgebildet sind, als Teil eines Mehrfachregelsystems oder einer -steuerung. Zur
Erläuterung sei angenommen, daß die Pfeile an den Linien den Signalverlauf darstellen.
Verzweigungsstellen sollen die Eigenschaft haben, daß das Signal in die angegebenen
Richtungen mit vollem Informationsgehalt weiterläuft. An Summationsstellen sollen
die Signale vorzeichenrichtig addiert werden. Die in den folgenden Schaltbildern
gezeichneten Blöcke (Rechtecke) sollen die Eigenschaft haben, daß das Eingangssignal
mit der Übertragungsfunktion des betreffenden Blockes multipliziert wird.
-
Unter diesen Umständen sei untersucht, wie die einzelnen Blöcke des
Entkopplungsnetzwerkes 2 beschaffen sein müssen, damit eine Entkopplung erreicht
wird.
-
Es sei angenommen, daß an dem Eingang B ein Signal Y, einlaufe. Durch
eine Entkopplung soll erreicht werden, daß z. B. der Ausgang X1 von dem Eingangssignal
Y, unabhängig ist, d. h., die in dem Summationspunkt G ankommenden Signale sollen
sich zu null addieren. Das Signal Y2 teilt sich am Verzweigungspunkt B in drei Richtungen,
die jeweils mit einer ausgezogenen, einer strichpunktierten bzw. einer gestrichelten
Linie dargestellt sind.
-
Die Übertragungsfunktion ist jeweils in die einzelnen Blöcke eingezeichnet.
Am Summationspunkt G haben die einzelnen Signale die Werte Y.A, P11; Y.,Plbzw. Y,N.,Pl3.
Wenn die Summe der drei Signale null ergeben soll, muß gelten: Y2 N12 Pll
+ P1, -@- N32 P13) = 0 oder N12 Pll -I- N3, P13 = -P12 .
-
Durch Variation erhält man sechs Gleichungen für sechs Unbekannte,
und die sich daraus ergebenden Übertragungsfunktionen für die einzelnen Blöcke sind
Der Determinantenterm Det enthält jeweils das Vorzeichen (-1)L + k.
-
Die technische Realisierung derartiger Übertragungsfunktionen wird
entweder durch Zusammensetzen einfacher Analogrechnerbausteine oder nach den Methoden
der Netzwerksynthese vorgenommen. Die Bausteine bzw. die Bauteile, die für die Nachbildung
der vorstehend genannten Übertragungsfunktionen erforderlich sind, sind äußerst
zahlreich, so daß die Netzwerke kostspielig und verhältnismäßig störanfällig sind.
-
F i g. 2 zeigt einen Teil eines Systems nach der Erfindung, wobei
die eigentliche Regelstrecke als P-kanonisch angenommen sei. Demnach muß das Entkopplungsnetzwerk
V-kanonisch sein. Um eine Entkopplung zu erreichen, muß wieder wie bei der Anordnung
nach F i g.1 der Ausgang X1 von dem Eingangssignal Y2 unabhängig sein. Das Eingangssignal
Y2 verteilt sich an der Verzweigungsstelle E in zwei ausgezogen und in einen strichpunktiert
dargestellten Signalweg. Die beiden erstgenannten Signalwege vereinigen sich im
Summationspunkt G. Das über die
Punkte E, A, D und G laufende
Signal hat die Größe Y, N12 P11. Das über den Punkt E und den Block P1., nach G
laufende Signal hat den Wert Y,Pl2. Da diese beiden Signale sich aufheben sollen,
müß gelten: Y2 (N12 P11 -f- p12) = 0 oder
Durch abzweigende Signale bei D (punktiert gezeichnet) und bei E (ungleich gestrichelt
gezeichnet) bildet sich am Summationspunkt C ein neues Mischsignal Yz. Dieses Mischsignal
läuft vom Verzweigungspunkt F aus auf zwei Wegen (jeweils gestrichelt gezeichnet)
zum Summationspunkt G. Das über die Punkte F, A, D nach G laufende Signal
hat den Wert Y"'Nl-Pll. Das Signal von dem Punkt F über den Block Pls nach G hat
den Wert Y2'P13. Da die beiden Signale sich aufheben müssen, muß also gelten: YJ
(N13 Pll + P13) - 0
oder
Ganz allgemein müssen daher die einzelnen Blöcke des Entkopplungsnetzwerkes die
übertragungsfunktion haben:
Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung, bei der die Übertragungsfunktionen der
einzelnen Blöcke durch einen Quotienten von Determinanten gegeben sind, sind bei
der Anordnung nach der Erfindung die Übertragungsfunktionen lediglich Quotienten
von Übertragungsfunktionen. Derartige Baugruppen lassen sich wesentlich einfacher
aufbauen.
-
Es sei bemerkt, daß diese Vereinfachung nicht etwa durch ein anderes
Berechnungsverfahren erreicht ist, sondern lediglich durch die Wahl einer bestimmten
Anordnung für das Entkopplungsnetzwerk.
-
F i g. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Systems nach
der Erfindung, wobei das Entkopplungsnetzwerk zwischen den Reglern R und der Regelstrecke
1 eingefügt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Entkopplungsglieder des
Entkopplungsnetzwerkes 2 von den übertragungsfunktionen der gewählten Regler unabhängig
sind.
-
Die Anordnung nach der Erfindung bringt wesentliche technische Vorteile
mit sich. Sie ist nicht auf Zweifachregelkreise beschränkt, da die Entkopplungsbedingungen
nicht komplizierter werden, wenn die Ordnung des Systems, d. h. die Anzahl der Regelgrößen,
ansteigt. Der Aufwand für die einzelnen Baugruppen zur Entkopplung einer Regelgröße
von einer anderen, nicht zugeordneten Führungsgröße ist gleich, unabhängig davon,
ob es sich um eine Zweifach- oder n-fach-Regelung handelt.
-
Ist eine Übertragungsfunktion der Regelstrecke Null, so entfällt auch
der zugehörige Entkopplungszweig. Dies ist bei den bekannten Anordnungen nicht immer
der Fall.
-
Es ist eine gleichzeitige Entkopplung von Führungs- und Hauptstörgrößen
möglich, ohne den Aufwand für die einzelnen Baugruppen zu erhöhen. Es erhöht sich
zwar die Ordnung des Regelsystems, die Entkopplung wird dadurch jedoch nicht komplizierter,
wie es bisher der Fall war.
-
Bei der bevorzugten Einordnung derEntkopplungsnetzwerke ergibt sich
der Vorteil, daß diese unabhängig von den Parametern der Regler sind. Die Einstellung
der Regler kann nach irgendeinem Verfahren optimiert werden, denn da die Entkopplungsnetzwerke
von den Reglern unabhängig sind, können die Übertragungsfunktionen der Regler auf
die Entkopplungsnetzwerke keinen Einfluß ausüben. Die Vorteile ergeben sich sowohl
bei Anwendung der Erfindung auf Regelungen als auch auf Steuerungen.
-
Die Anordnung nach der Erfindung kann in verschiedener Weise realisiert
werden, z. B. als elektrische Schaltungsanordnung, als mechanische oder hydraulische
Anordnung.