DE1563706C

DE1563706C - Stabilization process for control loops with inertia control loops and the facility for its implementation

Info

Publication number: DE1563706C
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing 8520 Erlangen Speth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-08-05

Description

Stabilisierungsverfahren für Regelkreise mit trägheitsbehafteten Regelkreisgliedern und Einrichtung zu dessen Durchführung.Stabilization method for control loops with inertia control loop elements and equipment for its implementation.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stabilisierungsverfahren für Regelkreise mit trägheitsbehafteten Regelkreisgliedern und mit einer einseitig begrenzten Stell- oder Regelgröße, bei dem nach einer Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung im Sinne einer Verstellung der Stell- oder Regelgröße in Richtung auf den Begrenzungsanschlag die Ausgangsgröße des Reglers auf einen dem Begrenzungsanschlag entsprechenden konstanten Wert.gesetzt wird und bei einer darauffolgenden Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung wieder freigegeben wird.The invention relates to a stabilization method for control loops with inertia Control loop elements and with a one-sided limited manipulated or controlled variable, in which after a change the sign of the control deviation in the sense of an adjustment of the manipulated or controlled variable in the direction on the limit stop the output variable of the controller to a corresponding to the limit stop constant value. is set and with a subsequent change in the sign of the Deviation is released again.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Proportional-Integralregler, mindestens einem weiteren trägheitsbehafteten Regelkreisglied und einer einseitig begrenzten Stell- oder Regelgröße.The invention also relates to a device to carry out this method with a proportional-integral controller, at least one other inertia-affected control loop element and a one-sided limited manipulated or controlled variable.

Das eingangs genannte Verfahren ist nach der deutschen Auslegeschrift 1 119 388 bekanntgeworden. Diese betrifft eine Regeleinrichtung für Gleichrichter, welche eine Sammelschiene speisen, deren Spannung durch Rückwirkung der an die Sammelschiene angeschlossenen Motoren zeitweilig überhöht werden kann. Die Anschlagsbegrenzung der Regelstrecke ist darin zu sehen, daß der Gleichrichterstrom keiner Umkehr fähig ist und deshalb einem negativen Reglerausgangssignal nicht folgen kann. Tritt infolge Entlastung der an die gleichrichtergespeiste Sammelschiene angeschlossenen Motoren eine Spannungserhöhung· über den vom Regler vorgeschriebenen Sollwert und damit eine negative Regelabweichung auf, so wird der Ausgang des Spannungsreglers konstant auf einen derartigen Wert begrenzt, daß sich mittels eines unterlagerten Stromregelkreises ein unterhalb des Leerlaufwertes liegender Strom einstellt. Zwar können damit die durch das Vorhandensein mehrerer trägheitsbehafteter Regelkreisglieder auftretenden Pendelungen der Sammelschienenspannung vermieden werden, durch die während der Zeiten negativer Regelabweichung vorgeschriebene Stromlieferung der Gleichrichter wird jedoch das Absinken der Motorspannungen auf den gewünschten Spannungssollwert verzögert.The method mentioned at the beginning has become known from German Auslegeschrift 1 119 388. This relates to a control device for rectifiers that feed a busbar, whose Voltage temporarily excessive due to the reaction of the motors connected to the busbar can be. The limit stop of the controlled system can be seen in the fact that the rectifier current is not able to reverse and therefore cannot follow a negative controller output signal. Occurs as a result Relief of the motors connected to the rectified busbar an increase in voltage above the setpoint prescribed by the controller and thus a negative control deviation on, the output of the voltage regulator is constantly limited to such a value that A current below the no-load value is set by means of a subordinate current control circuit. It is true that by the presence of several inertia-afflicted control loop elements occurring swings of the busbar voltage can be avoided by the during the However, this will be the prescribed power supply of the rectifier during times of negative control deviation The motor voltage drops to the required voltage setpoint with a delay.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei Regelstrecken dieser Art kürzere Regelzeiten zu ermöglichen und den linearen Arbeitsbereich des Reglers nicht schon beim Auftreten eines bestimmten Vorzeichens der Regelabweichung zu begrenzen, sondern die günstigere Dynamik der linearen Regelung bis kurz vor Erreichen der Begrenzung in vollem Umfang auszunutzen. Der Regler soll also langer als im bekannten Fall mit der Regelstrecke in Verbindung bleiben.It is the object of the invention to enable shorter control times in controlled systems of this type does not limit the linear working range of the controller when a certain sign of the occurs Limit control deviation, but the cheaper To fully utilize the dynamics of the linear control until shortly before the limit is reached. The controller should therefore remain in connection with the controlled system longer than in the known case.

Diese Aufgabe wird bei einem Stabilisierungsverfahren der obengenannten Art dadurch gelöst, daß das Setzen auf den konstanten Wert solange verhindert wird, bis die Stell- oder Regelgröße einen vorbestimmten geringen Abstand zu diesem unterschreitet.This task is performed in a stabilization process the above-mentioned type is solved by preventing setting to the constant value for so long is until the manipulated or controlled variable falls below a predetermined small distance to this.

Bei einer Einrichtung der obengenannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein von der Stell- oder Regelgröße beanspruchter, auf den vorbestimmten geringen Abstand zum Begrenzungsanschlag eingestellter Schwellwertfühler vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße die Ausgangsgröße des Proportional-Integralreglers begrenzt.In a device of the type mentioned above, this object is achieved in that one of the Manipulated or controlled variable claimed, to the predetermined small distance from the limit stop A set threshold sensor is provided, the output variable of which is the output variable of the proportional-integral controller limited.

Für Anwendungsfälle bei stromrichtergespeisten Verbrauchern, insbesondere Felderregungswicklungen ohne Stromumkehr, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß der Schwellwertfühler mit dem Verbraucherstrom beaufschlagt ist und dessen Ausgang derart auf den Ausgang des Proportional-Integralreglers geschaltet ist, daß die Ausgangsgröße des Schwellwertfühlers die Ausgangsspannung des Proportional-Integralreglers begrenzt.For applications with converter-fed consumers, in particular field excitation windings without current reversal, an advantageous embodiment of the invention consists in that the threshold value sensor is applied to the consumer current and its output in such a way to the output of the Proportional-integral controller is connected that the output variable of the threshold sensor is the output voltage of the proportional-integral controller is limited.

Auch bei drehzahlgeregelten Gleichstromantrieben mit unterlagerter Ankerstromregelung läßt sich die Erfindung vorteilhaft verwenden, wenn zusätzlich ein Schaltglied zur drehzahl- oder EMK-abhängigen Führung des Ausgangssignals des Ankerstromreglers vorgesehen ist, das von dem Schwellwcrtfühler zusätzlich betätigbar ist. Dadurch wird bei kleinen Ankerstromwerten die Ankerspannung immer in Fühlung mit der Anker-EMK gehalten, so daß der Regler stets bereit steht, bei einer Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung sofort wieder eine Regelung im gewünschten Sinne vornehmen zu können.The Use the invention advantageously if, in addition, a switching element is dependent on the speed or EMF Guidance of the output signal of the armature current regulator is provided, which is additionally provided by the threshold value sensor is actuatable. As a result, the armature voltage is always in touch with low armature current values held with the armature EMF so that the controller is always ready when the sign changes to be able to regulate the control deviation immediately in the desired sense.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltunigen soll im folgenden an Hand der Figuren näher veranschaulicht werden.The invention and its further embodiments are to be described in more detail below with reference to the figures illustrated.

F i g. 1 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Feldregelung, beispielsweise für eine Gleichstrommaschine oder einen Teilchenbeschleuniger. Als Stellglied für den Strom / der Feldwicklung 1 dient ein durch den Steuersatz 2 beeinflußter Stromrichter 3 in Einwegschaltung, welcher den Strom / nur in der angegebenen Richtung zu führen vermag. Zwischen der Ausgangsspannung U des Stromrichters 3 und dem Feldstrom / besteht ein zeitverzögerter Zusammenhang, der durch die Zeitkonstante des Felderregerkreises bestimmt ist. Der Istwert der Regelgröße / wird von einem Meßwandler 4 erfaßt und im Eingangskreis eines als P/-Regler 5 ausgeführten Verstärkers mit dem Stromsollwert i* verglichen. Der Stromistwert i ist an die Eingangsklemme 6 eines mit 7 bezeichneten Schwellwertfühlers gelegt, dessen Ausgangsklemme 8 über eine Begrenzungsdiode 9 mit dem Reglerausgang RA verbunden ist. Der Schwellwertfühler 7 enthält im dargestellten Beispiel einen gegengekoppelten elektronischen Verstärker 10, der bereits bei von Null verschiedenen Eingangsspannungen übersteuert ist, was durch geeignete Bemessung seiner Gegenkopplung erzielt werden kann. Erhöht sich das Eingangspotential an dem mit E₁ bezeichneten Verstärkereingang in positiver Richtung, so nimmt dessen mit A, bezeichneter Ausgang ein konstantes negatives Potential an, welches größer als das maximal mögliche negative Potential des Reglerausgangs RA gewählt ist. Für diesen Aussteuerbereich ist das Regelausgangssignal also unbehindert von der Begrenzungsdiode 9. Sinkt dagegen bei sehr kleinen Werten des Felderregerstromes / die Eingangsspannung des Schwellwertfühlers 7 unter den Schwellspannungswert einer als Schwellwertglied 11 dienenden Eingangsdiode, dann weist der Ausgang A₁ des Schwellwertfühlers 7 ungefähr Null-Potential auf. Bei nach negativen Werten tendierender Reglerausgangsspannung wird dann die Begrenzungsdiode 9 durchlässig und begrenzt dann den Reglerausgang auf Null-Potential. 'F i g. 1 shows the application of the method according to the invention in a field control, for example for a DC machine or a particle accelerator. A one-way converter 3, which is influenced by the control rate 2 and which is only able to carry the current in the specified direction, serves as the actuator for the current / field winding 1. There is a time-delayed relationship between the output voltage U of the converter 3 and the field current /, which is determined by the time constant of the field exciter circuit. The actual value of the controlled variable / is detected by a transducer 4 and compared in the input circuit of an amplifier designed as a P / controller 5 with the current setpoint i *. The actual current value i is applied to the input terminal 6 of a threshold value sensor labeled 7, the output terminal 8 of which is connected to the controller output RA via a limiting diode 9. In the example shown, the threshold value sensor 7 contains a negative feedback electronic amplifier 10, which is already overdriven at input voltages other than zero, which can be achieved by appropriately dimensioning its negative feedback. If the input potential at the amplifier input labeled E _{1 increases} in a positive direction, its output labeled A , assumes a constant negative potential, which is selected to be greater than the maximum possible negative potential of the controller output RA . For this modulation range, the control output signal is therefore unhindered by the limiting diode 9. If, on the other hand, at very small values of the field excitation current / the input voltage of the threshold value sensor 7 falls below the threshold voltage value of an input diode serving as a threshold value element 11, then the output A _{1 of} the threshold value sensor 7 has approximately zero potential on. If the regulator output voltage tends towards negative values, the limiting diode 9 then becomes permeable and then limits the regulator output to zero potential. '

Die Wirkungsweise der in F i g. 1 beschriebenen Regelanordnung bei einem Sprung des Sollwertes/* ist schaubildlich in den Diagrammskizzen a-c der Fig. 2 dargestellt. Zur Zeit r, möge eine Sollwertänderung nach Null stattfinden. Auf Grund der sichThe mode of operation of the in F i g. The control arrangement described in FIG. 1 in the event of a jump in the setpoint value / * is shown diagrammatically in the diagram sketch ac of FIG. At time r, let the setpoint change to zero. Because of the

nun ergebenden negativen Regelabweichung (Istwert/ großer als Sollwert /*) beginnt die Ausgangsgröße des P/-Reglers 5 nach negativen Werten hin zu tendieren, und zwar zunächst mit einem durch den Proporlionalanteil bedingten Anfangssprung und j sodann ungefähr nach einer Exponentialfunktion. Entsprechend wird sich die Ausgangsspannung U des Stromrichters 3 ändern, während der Felderregerstrom / auf Grund seiner im allgemeinen wesentlich größeren Zeitkonstanten langsamer abfällt. Zum Zeitpunkt f., hat die Reglerausgangsspannung RA den Wert· Null erreicht. Würde man zu djesem Zeitpunkt schon den Reglerausgang auf Null begrenzen, so würde der Strom / nach der in F i g. 2 b gestrichelten Kennlinie abklingen. Dadurch, daß der Regler sein Ausgangssignal nach wie vor entsprechend der an seinem Eingang anstehenden negativen Regelabweichung in negativer Richtung verschiebt, kehrt sich auch die Stromrichterspannung um, so daß sich der Felderregerkreis nun mit Gegenspannung entregt und demzufolge den zuvor innegehabten stellen Abfall weiterhin beibehält, bis er zum Zeit- · punkt /₃ einen bestimmten geringen Abstand ε zu seinem Anschlagwert (Stromwert Null) erreicht, worauf der Schwellwertfühler 7 anspricht und wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt, den Reglerausgang unabhängig von der anstehenden Regelabweichung auf Null setzt. Würde diese Begrenzung auf einem den Anschlagbegrenzung des Felderregerstromes / entsprechenden Wert nicht erfolgen, so würde der Ausgang des P/-Reglers 5 entsprechend der in Fig. 2c strichpunktiert angedeuteten Kennlinie einem bestimmten Endwert zustreben, bei einer darauffolgenden positiven Sollwertänderung, was einer Änderung des Vorzeichens der Regelabweichung gleichkommt, müßte zunächst unter einem entsprechenden Zeitverlust das negative Potential des Reglerausgangs abgebaut werden, ehe eine positive, einen Strom/ durch die Felderregerwicklung 1 treibende Stromrichterspannüng U erscheinen kann.Now resulting negative control deviation (actual value / greater than setpoint / *), the output variable of the P / controller 5 begins to tend towards negative values, initially with an initial jump caused by the proportional component and then approximately according to an exponential function. The output voltage U of the converter 3 will change accordingly, while the field excitation current / falls more slowly due to its generally much larger time constants. At the point in time f., The regulator output voltage RA has reached the value · zero. If one were to limit the controller output to zero at this point in time, the current / according to the in FIG. 2 b dotted curve decay. Because the controller continues to shift its output signal in a negative direction in accordance with the negative control deviation present at its input, the converter voltage is also reversed, so that the field exciter circuit is now de-excited with the opposite voltage and consequently continues to maintain the previously held drop until it reaches a certain small distance ε from its stop value (current value zero) at time / ₃ , whereupon the threshold value sensor 7 responds and, as previously mentioned in connection with FIG. 1, sets the controller output to zero regardless of the pending control deviation. If this limitation were not carried out on a value corresponding to the limit stop of the field excitation current /, the output of the P / controller 5 would strive towards a certain end value in accordance with the characteristic curve indicated by dash-dotted lines in FIG equals the control deviation, the negative potential of the controller output would first have to be reduced with a corresponding loss of time before a positive converter voltage U driving a current / through the field excitation winding 1 can appear.

Fig. 3 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Drehzahlregelanordnung. Für funktionsgleiche Elemente wurden die Bezugszeichen der Fi g. 1 beibehalten, wobei allerdings deren Darstellung mittels Blockschaltbildern erfolgt ist, in denen ihr Übergangsverhalten eingezeichnet wurde. Fig. 3 stellt im Signalflußdiagramm das Blockschaltbild eines drehzahlgeregelten, stromrichtergespeisten Gleichstromnebenschlußmotors 12 dar, dessen mit 13 bezeichnete Feldwicklung von einer konstanten Gleichspannung F erregt ist. Ein mit dem Gleichstrommotor 12 mechanisch gekuppelter Gleichstromtachodynamo 14 liefert eine dem Drehzahlistwert η entsprechende Spannung, welche mit dem Drehzahlsollwert η * verglichen und dem Eingangskreis des als Drehzahlregler dienenden P/-Reglers 5 zugeführt wird. Dem Drehzahlregler ist ein Ankerstromregelkreis unterlagen, welcher aus dem Ankerstromregler 15 einem in dem Blocksymbol, 3 zusammengefaßten Steuersatz und Strom- richter besteht. Der Zusammenhang zwischen der .Ausgangsspannung U des Stromrichters 3 und dem Ankerstrom / wird durch ein fiktives Zeitkonstantenglied 16 berücksichtigt. Der Stromrichter 3 läßt wie-• derum nur Ankerstrom in einer Richtung zu, weshalb am Ausgang des Zeitkonstantengliedes 16 ein den Strom/ auf den Wert Null begrenzender fester Anschlag zu denken wäre; Beim dargestellten Beispiel sind also zwei Regler 5 und 15 vorhanden, deren Ausgänge erfindungsgemaß mit einem veränderbaren Begrenzungsanschlag 17 bzw. 18 \ersehen sind. Die Betätigung des ßegrenzungsanschlags 17 erfolgt analog in der im Zusammenhang mit F-" i g. 1 beschriebenen Weise mittels des mit der Ansprechgrenze ,·■■ \ersehenen Schwellwertfühlers 7, dessen Ausgangsgröße A in Abhängigkeit von seiner Eingangsgröße Ii in dem mit 7 bezeichneten Blocksymbol dargestellt ist. Bei der Ausgangsspannung Null des Schwellwertfühlers wird nun noch zusätzlich ein Schaltglicd 19 betätigt und dadurch der veränderbare Anschlag IS für die Ausgangsspannung des Reglers 15 mit einer drehzahlabhängigen Größe η beaufschlagt. Da bei konstant erregtem Feld die Drehzahl proportional der Anker-EMK ist, kann ab dem Zeitpunkt Λ, (vgl. Fig. 2) dem Ausgang des Reglers 15. und damit dem Stellglied 2, 3 auf diese Weise eine positive Ausgangsspannung vorgeschrieben werden, welche stets der gerade vorhandenen.Ankcr-EMK entspricht. Die Ausgangsgröße des Stromrichters U bleibt somit ständig mit der Regelstrecke in Fühlung. Bei einer Erhöhung des Drehzahlsollwertes /1 * über den Istwert /i können sich die Ausgangssignale der Regler 5 und 15 in positiver Richtung von ihren Anschlägen entfernen, worauf sofort eine entsprechende auf eine Beseitigung dieser Regelabweichung gerichtete Erhöhung des Stromes 4 erfolgen kann.3 shows another application example of the method according to the invention in a speed control arrangement. For functionally identical elements, the reference numerals of Fi g. 1, although they are represented by means of block diagrams in which their transition behavior is shown. In the signal flow diagram, FIG. 3 shows the block diagram of a speed-controlled, converter-fed direct-current shunt motor 12, the field winding of which is indicated by 13 is excited by a constant direct voltage F. A DC tachometer 14 mechanically coupled to the DC motor 12 supplies a voltage corresponding to the actual speed value η , which is compared with the speed setpoint η * and fed to the input circuit of the P / controller 5 serving as a speed controller. The speed controller is subject to an armature current control circuit, which consists of the armature current controller 15, a control set and a converter combined in the block symbol 3. The relationship between the output voltage U of the converter 3 and the armature current / is taken into account by a fictitious time constant element 16. The converter 3 in turn only allows armature current in one direction, which is why a fixed stop limiting the current / to the value zero would be conceivable at the output of the time constant element 16; In the example shown, there are two controllers 5 and 15, the outputs of which can be seen according to the invention with a variable limit stop 17 and 18, respectively. The actuation of the at ßegrenzungsanschlags 17 analog in the manner described in connection with F "i g. 1 by means of the ersehenen with the response threshold, · ■■ \ Schwellwertfühlers 7, whose output A as a function of its input value Ii in the designated with 7 block symbol When the output voltage of the threshold value sensor is zero, a switching element 19 is also actuated and a speed-dependent variable η is applied to the variable stop IS for the output voltage of the controller 15. Since the speed is proportional to the armature EMF when the field is constantly excited, From the time Λ, (see. Fig. 2) the output of the controller 15 and thus the actuator 2, 3 in this way a positive output voltage can be prescribed, which always corresponds to the currently existing.Ankcr-EMK U thus remains constantly in contact with the controlled system, when the speed setpoint / 1 * increases above the actual value value / i, the output signals of the regulators 5 and 15 can move away from their stops in a positive direction, whereupon a corresponding increase in the current 4 aimed at eliminating this control deviation can take place immediately.

Die drehzahlabhängige Führung des Ankerstromreglerausgangs kann prinzipiell in gleicher Weise realisiert werden wie die in der Anordnung nach Fig. 1 dargestellte Begrenzung des Ausgangs des Reglers 5, nämlich durch einekathodenseitig mit dem Ausgang des Reglers 15 verbundene Diode, an deren Anode bei betätigtem Schaltglied 19 ein positives, von der Spannung der Tachodynamo 14 abgeleitetes, Potential liegt.The speed-dependent guidance of the armature current regulator output can in principle be carried out in the same way can be realized like the limitation of the output of the shown in the arrangement of FIG Regulator 5, namely through a cathode side connected to the output of the regulator 15 diode, at the When the switching element 19 is actuated, the anode is a positive, derived from the voltage of the speedometer 14, Potential lies.

Beim dargestellten· Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 braucht der Ankerstromreglcr nicht unbedingt ein /P-Verhalten aufzuweisen, es könnte sich auch um einen reinen Proportionalverstärker handeln.In the illustrated embodiment according to FIG. 3, the armature current regulator is not absolutely necessary to have a / P behavior, it could also be a purely proportional amplifier.

Claims

Patent claims:

1. Stabilization method for control loops with inertia control loop elements and a one-sided limited manipulated or controlled variable, in which after a change in the sign of the control deviation in the sense of an adjustment of the manipulated or controlled variable in the direction of the limit stop, the output variable of the controller to a constant corresponding to the limit stop Value is set and is released again with a subsequent change in the sign of the control deviation, characterized in that setting to the constant value is prevented until the manipulated or controlled variable falls below a predetermined small distance from this.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Proportionalintegralregler, mindestens einem weiteren trägheitsbehafteten Regelkreisglied und einer einseitig begrenzten Stell- oder Regelgröße, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Stell- oder Regelgröße beanspruchter, auf den vorbestimmten geringen Abstand zum Begrenzungsanschlag2. Device for performing the method according to claim 1, with a proportional integral controller, at least one further control loop element subject to inertia and a manipulated or controlled variable limited on one side, thereby characterized in that one claimed by the manipulated or controlled variable, to the predetermined small distance from the limit stop

set low temperature sensor (7) is provided, whose output variable limits the output variable of the proportional regulator (5).

.V execution according to claim 2. characterized in that when used with Stromrichlergespeisien consumers. in particular Fcldcrregungswicklungen without current reversal, the Schwellw crlfijhler (7) with the consumer current (ι) is applied and whose output is thus sounded to the output of the proportional integral controller. that the output of the threshold probe (7) limits the output voltage (HA) of the proportional integral controller (5).

4. Execution according to claim 2 or 3, characterized in that when used for speed control Cileichstromantriebc with integrated bearing Armature current control also has a switching element (19) for speed-dependent or IiMK-dependent Guidance of the output signal of the armature current regulator (15) is provided, which is from the Schwellwerliühler (7) can also be used.

5. Device according to one of claims 3 to 4, characterized in that the Schwcllwcrtfühlcr (7) from an already overdriven input voltage different from zero Electronic amplifier (10) ordered, whose F. input circuit via a SchwcllwertgÜcd (11) with the controlled variable and its output circuit via a limiting diode (9) to the output of the Proportional integral controller (5) is connected.

1 sheet of drawings