DE1523535C3

DE1523535C3 - Selbstanpassender Regelkreis

Info

Publication number: DE1523535C3
Application number: DE1523535A
Authority: DE
Inventors: Roger Martin Los Gatos Calif. Bakke (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-08-14
Filing date: 1965-08-06
Publication date: 1974-09-12
Also published as: DE1523535B2; SE336694B; CH462288A; GB1109885A; NL6510353A; DE1523535A1; NL152995B; US3535496A

Description

kann, ohne vorher die Eigenheiten der Anlage im Detail bestimmen zu müssen.

; Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

gelöst, daß eines der Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals sowohl von der Regelkreisverstärkung als auch von der Größe

. des Störsignals abhängt, und daß wenigstens ein Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals nur von der Größe des Störsignals abhängt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein simuliertes Modell benutzt wird, keine Störung in das System eingeführt

! wird und keine Grenzfrequenz eingeführt wird. Ferner kann das System ständig übermäßig gedämpft sein,

! so daß das System nach einer Störung oder nach einem Wechsel in der Einstellung nicht überschwingen muß. Der erfindungsgemäße Regelkreis weicht vollständig von den bisher bekannten ab und ist nicht nur eine Verbesserung der bereits bekannten Regel- ao kreise.

■ , Im deutschen Patent 1 263 146 wurde bereits ein ^* selbstanpassendes Regelsystem vorgeschlagen, bei dem

^! die Verstärkung im Regelkreis in Abhängigkeit von der Differenz der Mittelwerte des über zwei Bandpässe geleiteten Fehlersignals gesteuert wird und bei dem die beiden Bandpässe eines Selbstanpassungsrechners

j zusammen im wesentlichen das gesamte FehlersignaÜ— j Frequenzspektrum fassen und dem Summierpuma, an ! welchem die Differenz der Mittelwerte auftritt, eine Parallelschaltung aus einem schnell ansprechenden P-GIied und einem trägheitsbehafteten I-Glied nachgeschaltet ist.

: Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Regelkreis

werden gemäß dem deutschen Patent 1 263 146 zwei Bandpässe verwendet, die zusammen im wesentlichen das gesamte Fehlersignal-Frequenzspektrum umfassen. Dabei liegen die Durchlaßbereiche, wie die F i g. 7

ι beispielsweise zeigt, beider Bandpässe in Bereichen,

• in denen die Verstärkungsänderungen voll wirksam sind. Die unteren und oberen Frequenzbereiche, in

' denen sich die Verstärkungsänderungen nicht aus-

J--. wirken, werden, wie die F i g. 7 deutlich zeigt, beim I*,/ Gegenstand des deutschen Patents 1 263 146 über-

! haupt nicht ausgenutzt. Hier wird die Differenz der Ausgangssignale der Bandpässe nicht direkt zur Beeinflussung des Verstärkungsfaktors ausgenutzt, vielmehr wird dieses Differenzsignal einer Parallelschaltung aus einem schnell ansprechenden P-Glied und einem trägheitsbehafteten I-Glied zugeführt und ,₀

ι erst das aus dieser Parallelschaltung erhaltene Signal zur Beeinflussung des Verstärkungsfaktors benutzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regelkreis für den folgendes gilt:

55

1. Die Energieübertragung ist im allgemeinen eine einförmig ansteigende Funktion, die die Regelkreisverstärkung anzeigt.

2. Die Störsignale (einschließlich beabsichtigter Eingangssignale) in jedem praktischen System gehören mehreren Kategorien an.

3. Jede Kategorie von Störsignalen hat eine verhältnismäßig stabile Energieverteilung, abhängig von der Frequenz, so daß man durch Messen der Stärke von ausgewählten Frequenzkomponenten Signalenergie bei anderen Frequenzen bestimmen kann.

4. Die Energieübertragung eines· Systems ist bei bestimmten "Frequenzen stark und bei anderen Frequenzen nur schwach oder überhaupt nicht vom Kreisgewinn des Systems abhängig.

Nachstehend soll die Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 8, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt und die Wirkungsweise der Erfindung veranschaulicht sind, erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein Beispiel eines Regelkreises, bei dem die Erfindung anwendbar ist;

F i g. 2 zeigt die Anlagenverstärkung abhängig von der Stellgröße für verschiedene Operationsbedingungen der Anlage;

F i g. 3 zeigt charakteristische Regelgrößen der Anlage in Abhängigkeit von der Zeit, nachdem die Kreisverstärkung sprungartig verändert wurde;

F i g. 4 zeigt das Übertragungsverhältnis bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Verstärkungszustände;

F i g. 5 ist eine Flußtafel, welche das erfindungsgemäße Verfahren erläutert;

F i g. 6 zeigt Schaltungselemente zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 7 und 8 zeigen die Frequenzbänder, die bei Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden.

Ein Regelkreis ist in F i g. 1 gezeigt. Dieser Regelkreis umfaßt eine Anlage oder einen Vorgang 10 und"' einen zugehörigen Regler 11. Die Anlage 1,0 "hat' ein steuerbares Element 12, das durch eine-Stellgröße 17 aktiviert wird, und ein zugehöriges AEtastelement 14, das eine Regelgröße 15 hervorbringt. Der Regler 11 umfaßt einen Eingang 16, dem eine Sollgröße zugeführt wird. Die Anlage 10 kann beispielsweise ein relativ einfaches hydraulisches System mit einer Reihe von Röhren und Tanks sein. In diesem Fall kann das regelbare Element 12 ein Ventil sein, das den Zufluß in das System reguliert, und das Abtastelement 14 kann ein Sender sein, der ein Signal erzeugt, welches den Flüssigkeitsstand in einem Reservoir im System anzeigt. Die Anlage 10 kann auch eine umfangreiche katalytische Spaltanlage oder ein Flugzeug sein. In einer katalytischen Spaltanlage kann das steuerbare Element 12 ein Dampfventil sein, das die Temperatur. regelt, und das Abtastelement 14 kann eine Meßvorrichtung sein, welche den Prozentsatz einer bestimmten Chemikalie am Ausgang des katalytischen Spaltgerätes bestimmt. In einem Flugzeug kann das steuerbare Element 12 das hydraulische System sein, welches die Bewegung von einem der Höhen- oder Seitenruder oder anderer Steuerflächen bewirkt, und das Abtastelement 14 könnte ein Kurzkreisel sein. Für die vorliegende Erfindung ist die Art der Anlage 10 unwesentlich. Es ist lediglich notwendig, daß die Anlage 10 ein steuerbares Element 12 sowie ein Abtastelement 14 hat.

Eine Vergleichseinrichtung 18 vergleicht laufend die Regelgröße 15 mit der Sollgröße, die dem Eingang 16 zugeführt wird; sie erzeugt ein Fehler-Signal, das auftretende Unterschiede anzeigt. Der Stellgrößengeber 20 spricht auf das Fehlersignal an und aktiviert das regelbare Element 12 in der Richtung, die zur Eliminierung des Fehlersignals erforderlich ist. Der Stellgrößengeber 20 hat eine Verstärkungsregelung 22; die Gründe hierfür werden später ausführlich erläutert. Der Stellgrößengeber 20 kann im 1-, 2-, 3- oder n-Modesteuergerät arbeiten, d. h., er kann proportional und/oder differential und/oder integral und/oder nach einer höheren Funktion regeln. Die Verstärkungs-

regelung 19 wirkt jedoch nur auf den proportionalen Teil der Regelung ein. Die Einstellungen für die anderen Verstärkungen werden hier nicht gezeigt, da sie für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung unwesentlich sind. Der Wert der anderen Verstärkungen wird auf konventionelle Weise eingestellt. Eine Vielzahl von automatischen Regelungen sind im Handel erhältlich. Die so erhältlichen Regelungen umfassen im allgemeinen die Vergleichseinrichtung 18 und einen Stellgrößengeber 20.

Die Anlage 10 umfaßt Ungeradlinigkeiten und mehrere mögliche Betriebszustände. Das Verhältnis zwischen der Größe einer Veränderung in der Regelgröße 15 und der Größe einer Veränderung in der Stellgröße 17 ist für verschiedene Stellgrößen 17 und für verschiedene Betriebszustände verschieden. Der Begriff »Anlagenverstärkung« stellt das Verhältnis einer Änderung der Regelgröße 15 zu der Änderung der Stellgröße 17 dar. F i g. 2 zeigt, daß sich die Anlagenverstärkung verändert, wenn sich die Stellgröße 17 und der Betriebszustand verändern.

In F i g. 2 sind Kurven dargestellt, die zeigen, wie sich die Anlagenverstärkung mit dem Betriebszustand und der Stellgröße verändert. In einem hydraulischen System, das einen Tank aufweist mit Abteilungen mit unterschiedlichen Durchmessern, verändert sich die Anlagenverstärkung, wenn der Flüssigkeitsstand, im Tank von einer Tankabteilung mit einem Durchmesser zu einer Abteilung mit einem anderen Durchmesser wechselt. In einem Flugzeug verändert sich die Anlagenverstärkung, wenn sich die Höhe des Flugzeuges verändert. Ein Beispiel für eine Ungeradlinigkeit, durch welche die Anlage verschiedene Anlagenverstärkungen für verschiedene Stellgrößen 17 hat, obgleich sie sich im selben Betriebszustand befindet, ist z. B. ein hydraulisches System, bei dem das regelbare Element 12 ein Ventil mit nichtlinearer Ansprechkennlinie ist. Hier verändert sich die Anlagenverstärkung abhängig von der Stellgröße oder dem Durchfluß durch den Tank, obgleich der Betriebszustand oder der Pegel im Tank derselbe bleibt.

Der Stellgrößengeber 20 hat ebenfalls eine proportionale Verstärkung. Das heißt, für eipe bestimmte Änderung im Fehler-Signal hat die Änderung der Stellgröße 17 einen bestimmten Wert. Dies wird im folgenden »Stellgrößengeber-Verstärkung« genannt. Die Reaktion im gesamten System hängt von der Regelkreis-Verstärkung, die das Produkt der Stellgrößengeber-Verstärkung und der Anlagenverstärkung darstellt, ab. Die theoretische Basis hierfür ist bekannt und wird in jeder Standardveröffentlichung über automatische Regelung erläutert. Der Begriff »System« wird im folgenden benutzt zur Beschreibung der Kombination aller Elemente im Regelkreis einschließlich der Anlage 10, der Vergleichseinrichtung 18 und dem Stellgrößengeber 20.

F i g. 3 zeigt_drei mögliche Arten der Reaktion auf Grund einer Änderung. Die Reaktion des Systems hängt von der Regelkreisverstärkung ab. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, tritt ein Überschwingen ein, und die Regelgröße oszilliert anfänglich um den erwünschten Wert. Ist die Verstärkung zu schwach, so spricht das System träge an und braucht eine relativ lange Zeit, um den erwünschten Wert zu erreichen. Der Wert der Verstärkung, der zu hoch ist, wird mit LK-3 bezeichnet; die erwünschte Verstärkung ist LK-2 und die zu niedrige Verstärkung LK-I.

Das System soll natürlich immer die erwünschten Ansprech-Kennlinien haben, d. h., es ist erwünscht, die Verstärkung auf dem Wert LK-2 zu halten. Wie jedoch in F i g. 2 gezeigt, ändert sich die Verstärkung der Anlage abhängig von der Stellgröße 17 und dem Betriebszustand. Auf diese Weise muß die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 entsprechend variiert werden, um die Verstärkung des Systems auf dem erwünschten Wert zu halten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochwertige Methode zur Veränderung der

ίο Verstärkung des Stellgrößengebers 20.

Wesentlich ist die Erkenntnis, daß sich das Verhältnis der Größe des Fehler-Signals zur Größe des Störsignals mit der Frequenz ändert. Dies wird in F i g. 4 gezeigt. Das Verhältnis der Größe des Fehler-Signals zur Größe des Störsignals wird im folgenden Übertragungsverhältnis genannt.

Die Störsignale, denen jede physikalische Anlage oder jedes Verfahren 10 unterworfen ist, sind sehr vielfältig. Es kann sich beispielsweise um elektrische Rauschsignale oder um mechanische Schwingungen handeln. Außerdem können Störsignale an verschiedenen Stellen in den Regelkreis gelangen. Veränderungen an der Sollgröße am Eingang 16 werden im folgenden auch Störsignale genannt. F i g. 4 zeigt die Kennlinien des Systems für einen willkürlich gewähjten Störsignaltyp. Für jeden Störsignaltyp jedoch hat das System ein von der» Frequenz abhängiges.Über?' tragungsverhältnis, wie das in F i g. 4 gezeigte. Wichtig ist, daß bei bestimmten Frequenzen die Größe

des Übertragungsverhältnisses nur jjjhwäch oder überhaupt nicht abhängig von der Kreisverstärkung des Systems ist; bei anderen Frequenzen ist jedoch die Größe des Übertragungsverhältnisses in starkem Maße abhängig von der Größe der Kreisverstärkung. Mit anderen Worten: Die Schwankung des Übertragungsverhältnisses, abhängig von der Frequenz, ist für verschiedene Kreisverstärkungen verschieden.

Die Energie in einem bestimmten Frequenzband, die durch das System zu jeder beliebigen Zeit übertragen wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

W-,

E(t,k)=fe(t,w)/R(w,k)l*dw

E (t, k) ist die vom System übertragene Energie, abhängig von der Zeit (/) und dem Zustand der Regelkreisverstärkung (k).

- c (t, wf ist das Störsignal, abhängig von Zeit und Frequenz (w).

R (w, k) ist das Übertragungsverhältnis, abhängig von der Frequenz (w) und der Regel kreis verstärkung (k).

Wenn die Größe der Stärke einer, bestimmten Frequenzkomponente des Fehler-Signals gemessen wird, so stellt der erzielte Wert das Produkt

dar, wobei W₁ die Frequenz ist, bei welcher die Messung vorgenommen wird, und Ar₁ die Verstärkung des Regelkreises zur Zeit /. Wenn die Messung bei einer Frequenz (oder in einem Frequenzband) vorgenommen wird, bei welcher das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, dann ist der erzielte Wert abhängig vom Störsignal und dem Verstärkerzustand des Systems. Wenn andererseits die Messung bei einer Frequenz vorgenommen wird, bei welcher das Übertragungsverhältnis von der Regel-

kreisverstärkung des Systems abhängt, dann ist der Störklasse, die im ersten Ausführungsbeispiel der

sich ergebende Wert nur abhängig vom Störsignal. Erfindung betrachtet wird, ist das Rauschen bei Meß-

Die Störsignale, die bei jedem System auftreten, instrumenten, das vorwiegend Komponenten hoher können in Klassen aufgeteilt werden. Jede Störklasse Frequenz hat. Aus diesem Grund wird eine Messung hat ein charakteristisches Frequenzspektrum. Für jede 5 im Frequenzband zwischen den Frequenzen W5 und Störsignalklasse, wenn zwei oder mehr bestimmte W6 vorgenommen (s. F i g. 4 und 7). Das Frequenz-Frequenzen gewählt werden, hat die Größe der Korn- band zwischen f-FSund W6 wird im folgenden mit Hochponenten der Fehler-Signale bei diesen Frequenzen frequenzband bezeichnet. Im ersten gezeigten Ausfüheine bestimmte Abhängigkeit. Außerdem können für rungsbeispiel wird die von der Verstärkung abhängige jede Störsignalklasse zwei oder mehr Frequenzen im io Messung im Frequenzband WZ bis WA vorgenomallgemeinen gewählt werden, so daß eine dieser Fre- men, das im folgenden Zentralfrequenzband genannt quenzen in dem Bereich liegt, in dem das Übertragungs- wird.

verhältnis des Systems im starken Maße von der Kreis- Für jede Störsignalklasse ist das Verhältnis zwischen

verstärkung des Systems abhängig ist, und die anderen der Größe der Störung im gemessenen Band und der

Frequenzen können in Bereichen gewählt werden, in 15 Größe der Störung im Zentralfrequenzband stabil, da,

denen das Übertragungsverhältnis nur schwach oder wie schon oben erläutert, Energie jeder Störsignalklasse

überhaupt nicht von der Regelkreisverstärkung des ein charakteristisches Frequenzspektrum hat. Auf diese

Systems abhängt. Weise kann die Messung in Hoch-und Niedrigfrequenz-

Es wird die Stärke mehrerer ausgewählter Frequenz- bändern verwendet werden, um die Energie anzuzeigen, komponenten des Fehler-Signals gemessen. Eine Mes- 20 die im Zentralfrequenzband übertragen würde, wenn sung wird in einem ersten Frequenzband vorgenom- das System in dem gewünschten Verstärkungszustand men, in dem das Übertragungsverhältnis von der arbeiten würde. Wenn die tatsächlich im Zentralband Regelkreisverstärkung des Systems abhängt, und es gemessene Energie verschieden ist von der Energie, werden auch Messungen vorgenommen in Bändern, die übertragen würde, wenn das System in dem gein denen das Übertragungsverhältnis nicht von der 25 wünschten Verstärkungszustand arbeiten würde (wie Verstärkung abhängt. Die Messungen in den Bändern, durch die Messung in den hohen und niedrigen Bän- ■ in denen das Übertragungsverhältnis von der Regel- dem angezeigt), so zeigt dies an, daß die Regelkreiskreisverstärkung unabhängig ist, werden dazu ver^ verstärkung des Systems sich von dem gewünschtenwendet, die Größe der Komponenten des Stöfärgnals Wert unterscheidet und daß die Stellgrößengeberin dem ersten Band zu rekonstruieren. Dies ist mög- 30 verstärkung geändert werden muß, um djcRegelkreislich, weil, wie schon erläutert für jede Störklasse die verstärkung des Systems auf den gewünschten Wert entsprechende Größe von verschiedenen Frequenz- zu bringen, komponenten relativ stabil ist. Der Funktionsablauf im Regelkreis wird in F i g. 5

Die Messung im Band, in dem das Übertragungs- gezeigt. Die drei wesentlichen Schritte werden durch verhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, 35 die Kästchen 601, 602 und 603 gezeigt. Der durch das wird dazu verwendet, die augenblickliche Regelkreis- Kästchen 601 dargestellte Schritt umfaßt die Messung verstärkung des Systems anzuzeigen. Wie jedoch der Energie im Fehler-Signal bei Frequenzen, bei schon erläutert, ist die Messung im Band, in dem das denen das Übertragungsverhältnis des Systems von Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung der Regelkreisverstärkung abhängt. Kästchen 601 stellt abhängt, eine Funktion vom Störsignal und von der 40 beispielsweise eine Messung der Energie im Fehler-Regelkreisverstärkung. Durch Vergleich des rekon- signal zwischen den Frequenzen W3 und WA dar. struierten Störsignals mit der Energie im Fehler-Signal Der durch das Kästchen 602 dargestellte Schritt ist bei Frequenzen, in denen das Übertragungsverhältnis die Messung der Energie im Fehlersignal bei Frevon der Regelkreisverstärkung abhängt, erhält man quenzen, bei denen das Energie-Übertragungsverhältnis den gegenwärtigen Wert der Regelkreisverstärkung 45 des Systems nicht von der Regelkreisverstärkung ab- oder mit anderen Worten ausgedrückt, die Ab- hängt. Nach F i g. 4 kann diese Messung beispielsweichung der Regelkreisverstärkung des Systems von weise zwischen den Frequenzen Wl und WI und dem gewünschten Wert. zwischen deji Frequenzen WS und W6 vorgenommen

Um die Größe der Frequenzkomponenten des Stör- werden.

signals im Frequenzband zu rekonstruieren, in dem 50 Der durch das Kästchen 603 in F i g. 5 dargestellte das Übertragungsverhältnis von der Verstärkung ab- Schritt ist ein Vergleich der Anzeigen der vorherhängt, wird die Größe des Fehler-Signals für jede gehenden zwei Schritte. Zur Erleichterung werden die Störsignalklasse, die ein anderes Frequenzspektrum in Ergebnisse des durch Kästchen 601 dargestellten einem getrennten Band hat, gemessen. Im ersten Aus- Schrittes mit A und die Ergebnisse des durch Kästführungsbeispiel sind zur Erleichterung des Verstand- 55 chen 602 dargestellten Schrittes mit B gekennzeichnet, nisses nur zwei Störklassen besonders beachtet. Treten Wenn A größer ist als B, so verringert sich die Verbeim System andere Störarten auf, so arbeitet das Stärkung des Stellgrößengebers 20 in Fig. 1; wenn System trotzdem; die Verstärkungsanpassung ist je- A kleiner ist als B, so erhöht sich die Verstärkung des doch nicht so vollkommen, wie wenn mehr Störklassen Stellgrößengebers 20.

in Betracht gezogen werden. Die erste betrachtete 60 F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des

Störklasse ist ein Wechsel der Sollgröße, die dem Regelkreises. Die in F i g. 7 gezeigten Bauelemente

Eingang 16 zugeführt wird. Das Frequenzspektrum umfassen drei Bandpaßfilter 711, 721 und 731; drei

dieses Störsignals hat vorwiegend Komponenten nied- Schaltungen 712, 722 und 732 zur Bestimmung des

riger Frequenz; aus diesem Grund wird eine Messung absoluten Wertes von Signalen; drei Begrenzerschal-

der Größe des Fehler-Signals zwischen Frequenz WX 65 tungen 713, 723 und 733; drei veränderbare Verstär-

und Wl vorgenommen (s. F i g. 4 und 7). Das ker 714, 724 und 734; eine Summierungsschaltung 751;

Frequenzband zwischen WX und Wl wird im fol- eine konventionelle Zwei-Mode-Schaltung 752 und

genden Niedrigfrequenzband genannt. Die zweite eine Quadriervorrichtung 755. Die Schaltungen bilden

9 10

drei Kanäle 710, 720 und 730. Der Kanal 720 dient stellt mechanisch oder elektrisch die Verstärkungszur Durchführung des Schrittes, der.in. F ig. 5 mit regelung 19 des Stellgrößengebers 20 ein. Die Quadern Kästchen 601 dargestellt ist, und die mit 710 und driervorrichtung 755 ist darum vorgesehen, daß mit 730 bezeichneten Kanäle dienen zur Ausführung des derselben Eingangssignalgröße die Geschwindigkeit durch Kästchen 602 in F i g. 5 dargestellten Schrittes. 5 der Änderung in der Verstärkung für höhere Ver-Die Schaltungen 751, 752 und 755 dienen zur Durch- stärkungseinstellungen größer ist als für niedrigere führung des durch Kästchen 603 in F i g. 5 angezeigten Verstärkungseinstellungen. Regelungen wie 752, und Schrittes. Quadriervorrichtungen (Multiplikatoren) wie 755 sind

Die Schaltungen des Kanals 720 messen die Energie im Handel erhältlich. Der Ausgang der Quadrier-

des Fehlersignals bei Frequenzen, bei denen die io vorrichtung 755 kann entweder mechanisch oder elek-

Energieübertragung des Systems von der Regelkreis- trisch sein, je nach der Art der Verstärkungsregelung 19

verstärkung abhängt. Das Bandpaßfilter 721 hat einen des Stellgrößengebers 20.

Durchlaßbereich zwischen den Frequenzen W3 und Die drei veränderbaren Verstärker 714, 724 und 734 WA (s. F i g. 4 und 7), so daß das Ausgangssignal des sowie das Gleichstrombezugssignal am Eingang 753 Filters 721 die Größe der Komponenten im Fehler- 15 werden am Anfang eingestellt, so daß, wenn die signal darstellt, die zwischen den Frequenzen W7> und Regelkreisverstärkung den erwünschten Wert erreicht W4 liegen. Um den Ausgang von Filter 721 in ein hat, das Ausgangssignal vom Verstärker 724 die Energiesignal umzuwandeln, wird sein absoluter Wert Summe der Ausgangssignale von den Verstärkern 714 durch die Schaltung 722 gebildet. Die Umwandlung und 734 und des Gleichstrombezugssignals am Einin den absoluten Wert hat zur Folge, daß das Ausgangs- 20 gang 753 vollständig ausgleicht. Die Verstärkung der signal der Schaltung 722 immer positiv ist und den Verstärker 714, 724 und 734 sowie das Gleichstrom-Wert des Fehlersignals, unabhängig von dessen Vor- bezugssignal am Eingang 753 werden so eingestellt, zeichen anzeigt. Der absolute Wert eines Signals kann daß für jede Störsignalklasse eine gewisse proportiomittels bekannter Schaltungen wie beispielsweise einer nale Verwandtschaft zwischen der Größe der Frequenz-Brückenschaltung gebildet werden. Der Begrenzer 723 as komponenten dieses Signals in jedem Band besteht. , verhindert, daß das System auf ab und zu auftretende, Die weiter unten aufgeführte Tabelle erläutert, wie starke und völlig unplanmäßig auftretende Rausch- die Verstärkung in den Verstärkern 714, 724 und 734: signale anspricht. Der veränderbare Verstärker 724 sowie die Größe des Gleichstrombezugssignals 'am ist in der Schaltung 720 angeschlossen, um die Aus- Eingang 753 die Form des Frequenzsjpgfctrnms der gangssignale der Schaltungen 710, 720 und 730 richtig 30 Energie in den verschiedenen Klass^H'der Störsignale anzupassen. wiedergeben. Die Tabelle nennt die Größe der Fre-

Der durch Kästchen 602 in F i g. 5 gezeigte Schritt quenzkomponenten der zwei Störsignalklassen, die in wird in zwei Teilen ausgeführt. Der Kanal 710 bildet dem gezeigten Ausführungsbeispiel betrachtet werden, eine Anzeige der Energie im Fehler-Signal zwischen Außerdem nennt die Tabelle die Werte des Überden Frequenzen Wl und WI (s. F i g. 4), und der 35 tragungsverhältnisses in den verschiedenen Frequenz-Kanal 730 bestimmt die Energie im Fehler-Signal bändern, (a) wenn das System im erwünschten Verzwischen den Frequenzen WS und W6. Die Kanäle 710 stärkungszustand LK-I arbeitet (d. h., wenn das und 730 enthalten dieselben Schaltungen wie Kanal 720, System abgestimmt ist) und (b) wenn das System im der oben erläutert wurde; aus diesem Grund wird Verstärkungszustand LK-3 arbeitet, worin die Kreiskeine ausführliche Erklärung der Kanäle 710 und 730 4° verstärkung höher ist als erwünscht,
gegeben. Die in der Tabelle aufgeführten Zahlen sind nur

Die Summierschaltung 751 subtrahiert das Ausgangs- Beispiele. Für jedes besondere System kann der Wert

signal von Kanal 720 von der Summe von der verschiedenen Parameter, wie beispielsweise der

a) dem Ausgangssignal von Kanal 710, Verstärkung, analytisch bestimmt werden wenn ge- f

b) dem Ausgangssignal von Kanal 730 und ⁴⁵ "^ug^en,^d Informationen über das System und über die

c) einem Gleichstrombezugssignal, das dem Ein- Kennlinien der Störung vorhanden s.nd. Em Vergang 753 zugeführt wird. fahren zur Erstellung der verschiedenen Parameter

unter der Annahme, daß nur ein minimaler Betrag

Das Gleichstrombezugssignal wird eingegeben, um analytischer Informationen vorhanden ist, wird später den Teil des Störsignals zu kompensieren, der an den 5° gegeben.

Ausgängen von Schaltungen 710 und 730 nicht er- Der wichtigste Punkt, der mittels der folgenden

scheint. An den Ausgängen der Schaltungen 710 und Tabelle aufgezeigt wird, ist, daß die Verstärkung der 730 erscheint nur der Teil des Störsignals, der zwischen Verstärker 714, 724 und 734 und die Größe des den Frequenzen Wl bis WI und WS bis W6 liegt. Gleichstrombezugssignals am Eingang 753 so einge-Das Gleichstrombezugssignal am Eingang 753 korn- 55 stellt werden, daß, wenn das System sich im abgepensiert die Störsignalklassen, deren Komponente im stimmten Betrieb befindet und wenn Störsignal in Frequenzbereich W3 bis W4 liegt, die jedoch durch das System eingeführt werden, die von der Summierdie Größe im Frequenzbereich W1 bis W2 oder WS schaltung 751 erzeugte Summe null ist. Außerdem bis W6 nicht richtig eingeschätzt wurden. Die Größe zeigt die Tabelle, daß, wenn das System sich in einem des Gleichstrpmbezugssignals am Eingang 753 wird in 60 Verstärkungszustand befindet, der nicht der gewünschte derselben Art eingestellt wie die Verstärkung der Ver- Wert ist (d. h., wenn das System nicht abgestimmt ist), stärker 714, 724 und 734, wie im folgenden noch die von Schaltung 751 hervorgebrachte Summe einen erläutert wird. Wert hat, der nicht null beträgt.

Die Zwei-Mode-Regelung 752 ist eine konventionelle Die Zeilen 1 bis 7 der folgenden Tabelle geben Werte

Regelung, die das Signal vom Ausgang der Summier- 65 für die verschiedenen Parameter an. Die Größen der schaltung 751 empfängt und die mechanisch oder resultierenden Ausgangssignale der Kanäle 710, 720 elektrisch den Eingang der Quadriervorrichtung 755 und 730 sind in den ersten drei Spalten der Zeilen 13, steuert. Der Ausgang der Quadriervorrichtung 755 16 und 19 aufgeführt. Die Größe der Ausgangssignale

.11

von jedem der Kanäle 710, 720 und 730 kann als das Produkt aus der Größe der zugeordneten Frequenzkomponenten von einem Störsignal, dem Übertragungsverhältnis bei der zugeordneten Frequenz und

sehen werden. Dabei sind verschiedene Konstanten vernachlässigt, welche den vorgenommenen Vergleich nicht beeinträchtigen. Das Ergebnis des von Schaltung 751 vorgenommenen Vergleiches wird in der vierten

der Verstärkung des zugeordneten Verstärkers ange- 5 Spalte der Zeilen 13, 16 und 19 gegeben.

WX bis Wl

Frequenzband
I WS bis W4 I

W5 bis W6

Größe der Störsignale 1. Klasse

Größe der Störsignale 2. Klasse

Übertragungsverhältnis bei erwünschter Regelkreisverstärkung (LK-2)

Übertragungsverhältnis bei zu hoher Regelkreisverstärkung (LK-3)

Verstärker

Verstärkung der Verstärker

2 714

Störsignale · Übertragungsverhältnis
Verstärkung für Störsignale 1. Klasse bei LK-2^

Störsignale · Übertragungsverhältnis

Verstärkung für Störsignale 2. Klasse bei LK-2

Störsignale · Übertragungsverhältnis
Verstärkung für Störsignale 1. Klasse bei LK-3

--2,60 20,6 260 10
10

14

20

724

280
280
400

0
30

734
7,98

239,4
0

Durch Summierschaltung 751
erzeugte Summenl.
(Größe des Gleichstrombezugssignals = 20)

120

Im folgenden wird beschrieben, wie die verschiedenen Parameter in der Verstärkungsregelung 19 gewählt werden können. Die wichtigen Parameter, die zu wählen sind, sind: erstens die Frequenzbänder für die Bandpaßfilter 711, 721 und 731 und zweitens die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 734 und die Größe des Gleichstrombezugssignals am Eingang 753. Die anderen Parameter, wie die Schwellwerte für die Schaltungen 713, 723 und 733 und die Kennlinien der Zwei-Mode-Regelung 752, sind nicht kritisch. Diese Parameter, durch die die Leistung der Regelung optimal eingestellt werden kann, können durch Versuche bestimmt werden.

Die Frequenzbänder der Bandpaßfilter 711, 721, 731 und die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 734 können dadurch gewählt werden, daß das Hauptsystem (Anlage 10, Vergleichseinrichtung 18 und Stellgrößengeber 20) ohne die Verstärkungsregelung 19 betrieben wird. Das System muß auf konventionelle Weise abgestimmt und in einem abgestimmten Verstärkungszustand betrieben werden. Während das System in einem abgestimmten Zustand arbeitet, kann die Stärke der Signale in verschiedenen Frequenzbändern bestimmt werden. Hierdurch können verstärkungsabhängige und verstärkungsunabhängige Bänder identifiziert werden. Außerdem können durch Prüfung des Wertes des Signals in den verschiedenen Frequenzbändern die Verstärkungen der Verstärker 714, 724 und 734 und die Stärke des Gleichstrombezugssignals am Eingang 753 gewählt werden, so daß die Bedingung erfüllt wird, daß die von der Schaltung 751 gebildete Summe null beträgt, wenn das System abgestimmt ist. Es ist unwesentlich, wie der Stellgrößengeber 20 zu Anfang abgestimmt ist; er kann mittels jeder der gegenwärtig verwendeten Methoden abgestimmt werden. Wenn das System in Betrieb ist, wird das Ausgangssignal der Schaltungen 710 und 730 fast völlig unabhängig vom Verstärkungszustand, in dem die Anlage arbeitet, während sich das Ausgangssignal des Kanals 720 je nach der Verstärkung, in der sich das System befindet, verändert. Auf diese Weise verändert sich das Ausgangssignal der Schaltung 720, wenn das System zu einem anderen Arbeitspunkt überwechselt und die Regelkreisverstärkung des Systems.

sich ändert. Die Ausgangssignale der Kanäle 710 und 730 bleiben jedoch im wesentlichen konstant. Wenn das System zu einem anderen Verstärkungszustand überwechselt, gibt die Summierschaltung 751 ein Signal ab, das die Zwei-Mode-Regelung 752 aktiviert und dadurch die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 einstellt, so daß die gesamte Regelkreisverstärkung des Systems auf den gewünschten Wert gebracht wird.

Die in F i g. 6 gezeigten Blöcke wurden bis jetzt als

tatsächliche Bestandteile des Regelkreises beschrieben.

Der Regelkreis kann jedoch auch eine programmgesteuerte Rechenmaschine enthalten. Aufeinanderfolgend empfangene Signale, welche die Größe des Fehler-Signals anzeigen, werden zur Rechenmaschine mittels eines Analog-Digital-Wandlers übertragen, und so empfängt die Rechenmaschine lediglich periodisch digitale Signale, die den Wert des Fehler-Signals anzeigen. Die Rechenmaschine verarbeitet diese Digitalsignale und führte die Funktionen aus, die in den Blöcken in F i g. 5 und 6 erläutert werden. Die Rechenmaschine gibt Digitalsignale ab, durch die die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 eingestellt werden kann.
Die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 kann ent-

weder direkt durch Digitalsignale oder durch Analogsignale gesteuert werden, die in einem Analog-Digital-Wandler erzeugt werden. Das analoge Signal kann auch eine mechanische Verstärkungseinstellung antreiben.

Um die verschiedenen Schritte durchzuführen, die durch die Kästchen in F i g. 6 gekennzeichnet sind, und um auf diese Weise die im Blockdiagramm in F i g. 5 erläuterte Methode anzuwenden, führt eine Digital-Rechenmaschine eine große Anzahl von sehr einfachen Vorgängen aus, wie beispielsweise Addition, Subtraktion usw. Diese Rechenoperationen sind jedoch in solcher Reihenfolge aufgeführt, daß sie die in F i g. 5 gezeigten Schritte ergeben.

In F i g. 8 ist gezeigt, wie die drei Filter durch zwei Filter ersetzt werden können, von denen das erste ein Durchlaßbereich von der Frequenz null bis zur Frequenz Wl hat und das zweite ein Durchlaßbereich von der Frequenz null bis zur Frequenz W%. Drei Signale, die als Digital-Zahlen ausgedrückt werden, geben die Größe der Signale der drei simulierten Filter an. Das erste Signal, das dem Ausgangssignal von Filter 711 entspricht, hat einen Frequenzbereich von der Frequenz null bis zur Frequenz Wl. Das zweite Signal, das dem Ausgangssignal von Filter 721 entspricht, wird durch die Subtraktion des Ausgangssignals des ersten Filters vom AusgangssignaKjies zweiten Filters gebildet; sein Frequenzbereich reicht von der Frequenz Wl zur Frequenz WS. Das dritte Signal, das ungefähr dem Ausgangssignal von Filter 731 entspricht, wird durch Subtraktion des Ausgangssignals des zweiten Filters (Durchlaßbereich B) vom Gesamtsignal gebildet, es umfaßt alle Frequenzen oberhalb der Frequenz ^8. Natürlich haben die Signale mit extrem hohen Frequenzen keine Wirkung, da diese Frequenzen von der Schaltung im Analog-Digital-Wandler ausgefiltert werden.

Die in den aufgeführten Ausführungsbeispielen gezeigten Verstärker waren alle begrenzte lineare Verstärker. Für schwierigere Anwendungen könnten veischiedene andere Typen von nichtlinearen Verstärkern von Nutzen sein. Die Regelung, welche die Verstärkung kontrollierte, wird hier als eine Zwei-Mode-Regelung gezeigt mit einer Quadriervorrichtung an ihrem Ausgang. Auch hier könnten je nach der speziellen Anwendung andere nichtlineare Regelungen mit generalisierter Dynamik von Nutzen sein.

Die Anzahl der Kanäle zur Rekonstruierung der Größe des Störsignals in der Verstärkung kann, wenn gewünscht, erweitert werden. Wenn bei dem System

ίο eine große Anzahl von verschiedenen Störarten auftreten, ist es möglich, daß eine große Anzahl von Kanälen notwendig ist, um eine relativ genaue Rekonstruktion des Störsignals zu erhalten. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß, wenn eine Art Störsignale ein Frequenzspektrum hat, das in der Hauptsache in einer Zone liegt, in der das Übertragungsverhältnis von der Verstärkung abhängt, die Parameter des Systems leicht auf bekannte Weise eingestellt werden können, und zwar so, daß die Zone, in welcher das Übertragungsverhältnis des Systems von der Verstärkung abhängt, in eine andere Zone verlegt werden könnte. _ J

Die hierin gezeigten Filter waren lineare Tiefpaß- " und Bandpaßfilter. Natürlich können verschiedene Arten von linearen und nichtlinearen Filtern für bestimmte Anwendungstypen von größerem Nutzen sein. Hier wird die Erfindung in der Anwendung auf .die Einstellung der Verstärkung der proportionalen Steuerung in dem Stellgrößengeber 22 gezeigt. Natürlich kann die Erfindung auch auf die Einstellung von verschiedenen anderen Regelungen in der Hauptsteueranlage angewandt werden.

Viele physikalische Anlagen weisen eine große Anzahl von Regelkreisen auf, die bis zu einem bestimmten Grad gekoppelt sind. Durch Anschluß einer Informationsmatrix, die von der vorliegenden Erfindung abgeleitet wurde, an jeden Regelkreis können die Verstärkungen in den verschiedenen Regelkreisen vorteilhafter gesteuert werden als dadurch, daß lediglich die Information verwendet wird, die von einem geregelten Regelkreis erhalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstanpassender Regelkreis, in dem das Fehlersignal Filtern zugeführt wird und die Verstärkung des Reglers abhängig von der Differenz der Alisgangssignale der Filter geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals sowohl von der Regelkreisverstärkung als auch von der Größe des Störsignals abhängt, und daß wenigstens ein Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals nur von der Größe des Störsignals abhängt.

2. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Größe des Fehlersignals in dem Frequenzbereich, in dem dieses von der Regelkreisverstärkung abhängt, und der Summe der Fehlersignale in den Frequenzbereichen, in denen diese nicht von der Regelkreisverstärkung abhängen, gebildet wird und daß die Verstärkung des Stellgrößengebers vermindert wird, wenn die Differenz größer, und erhöht wird, wenn die Differenz kleiner wird.

3. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Ausgangssignalen der Filter die Absolutwerte gebildet diese begrenzt und verstärkt werden.

4. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der Ausgangssignale der Filter zusammen mit einem Gleichstrombezugssignal einer Summierschaltung zugeführt werden und daß das Ausgangssignal der Summierschaltung gegebenenfalls nachQuatrierung dem Stellgrößengeber als Verstärkungsregelungssignal zugeführt wird.

5. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Filter in digitale Werte umgewandelt werden, daß diese einem digitalen Rechengerät als Eingangsgrößen zugeführt werden und daß das digitale Rechengerät eine Rechengröße abgibt, die gegebenenfalls nach Digital-Analog-Wandlung die Verstärkung des Stellgrößengebers regelt.

6. Selbstanpassender Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Durchlaßbereiche bei niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen mit Hilfe von zwei Tiefpaßfiltern erzeugt werden, von denen das eine den niedrigen und das andere den mittleren Frequenzbereich mit umfaßt, und daß der Absolutwert des Fehlersignals direkt aus den Ausgangssignalen des Tiefpaßfilters, das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, gebildet wird, daß der Absolutwert des Fehlersignals des mittleren Frequenzbereiches aus der Differenz der Absolutwerte des Tiefpaßfilters, das den mittleren Frequenzbereich mit umfaßt, und des Tiefpaßfilters, das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, gebildet wird und daß der Absolutwert des Fehlersignals des oberen Frequenzbereiches aus der Differenz des Absolutwertes des gesamten Fehlersignals und dem Absolutwert des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters, das den mittleren Bereich mit umfaßt, gebildet wird.

Die Erfindung betrifft einen selbstanpassenden

Regelkreis, in dem das Fehlersignal Filtern zugeführt wird, und die Verstärkung des Reglers abhängig von der Differenz der Alisgangssignale der Filter geregelt wird.

Die Reaktion einer Anlage in einem Regelkreis ist abhängig von der Verstärkung. Wird z. B. die Verstärkung auf einen bestimmten Wert eingestellt, so kann die Anlage übersteuert sein, wird die Verstärkung

ίο auf einen anderen Wert eingestellt, so kann die gleiche Anlage sehr langsam reagieren. Bei einem anderen Wert kann die Anlage instabil sein.

Zur Abstimmung eines Regelkreises werden die verschiedenen Verstärkungen innerhalb des Reglers auf Werte eingestellt, so daß der Kreis angemessen reagiert. Die Reaktion des Kreises ist jedoch nicht allein von den Verstärkungseinstellungen im Regler abhängig. Bestimmte Nichtlinearitäten innerhalb der Anlage, die geregelt werden sollen, und verschiedene

«o Störungen können die Reaktion stören. So kann, obwohl die Verstärkung im Regler anfangs so eingestellt wurde, daß der Kreis die gewünschte Reaktion, g liefert, infolge von Nichtlinearitäten und äußeren * Störungen," die Reaktion unerwünscht verlaufen.

Die Regeltechnik wurde entwickelt, um die oben, beschriebenen Nachteile der üblichen Steuerungen zu beseitigen. Es gibt mehrere Bücher über die Regel-" technik und eine relativ große Zahl von technischen Veröffentlichungen. Die Proceedings eines,SyrnfJosiums über Regeltechnik, die durch die MacMiIIan Comp. 1961 veröffentlicht wurden, tragen den Titel »Adaptive Control Systems« und sind von G. Felix Carnthers und Harold Levenstien herausgegeben. Dieses Buch enthält eine große Zahl von Literaturstellen für Veröffentlichungen dieser Technik. Ein allgemeiner Überblick des Standes der Technik wird in einer Veröffentlichung von Stanley S h i nie r s gegeben, die »Optimal and Adaptive Control Systems« betitelt ist und in der Zeitschrift Electro-Technology, Juli 1964, veröffentlicht wurde.

Die Regelsysteme nach dem Stand der Technik gliedern sich in vier Gruppen. Diese Gruppen werden im folgenden als der Modelltyp, der Störungstyp, der Grenzfrequenztyp und der Frequenzgangtyp bezeich- V net. Der Modelltyp benutzt ein simuliertes Modell des Prozesses, um ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, wie groß die Stellgröße (oder die Stellgrößen) des Reglers seih sollten. Wenn sich das Signal aus dem Modell von der Stellgröße aus dem Regler unter-

scheidet, wird eine entsprechende Änderung vorgenommen. Beim Störungstyp wird eine Störung in die Anlage eingeführt und die Reaktion auf diese Störung beobachtet. Die Stellgröße oder die Stellgrößen werden dann so eingestellt, daß die richtige Reaktion auftritt.

Beim Grenzfrequenztyp werden Hochfrequenzschwingungen (eine Grenzfrequenz) in dem Regelkreis erzeugt. Die Stellgröße (oder Stellgrößen) der Anlage werden so eingestellt, daß man die richtige Grenzfrequenzreaktion erhält. Beim Frequenzgangtyp wird eine Frequenzganguntersuchung vorgenommen, welche die niederfrequenten Schwankungen einer Anlage um den gewünschten Wert feststellt. Die Stellgröße der Anlage wird so eingestellt, daß die gewünschte Schwankungsfrequenz erhalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regelkreis zu schaffen, der für die verschiedenartigsten Regelungen einsetzbar ist, der einen geringen Aufwand benötigt und der zui Steuerung einer Anlage benutzt werden