DE1815964B2

DE1815964B2 - Einrichtung zur selbsttaetigen anpassung der regelverstaerkung an die regelstreckenverstaerkung

Info

Publication number: DE1815964B2
Application number: DE19681815964
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing 8520 Erlangen Speth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-12-20
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1972-06-15
Also published as: GB1273190A; BE741791A; NL6914162A; ES374761A1; JPS4815838B1; SU530657A3; RO59735A; US3655954A; NL165582B; AT290681B; CH496280A; FR2026732A1; BR6914573D0; DE1815964A1; NL165582C; SE352459B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur selbsttätigen Anpassung der Verstärkung eines Reglers an die jeweilige Verstärkung einer im Betrieb befindlichen Regelstrecke mit «Integralgliedern unter Verwendung einer zumindest teilweisen Nachbildung der Regelstrecke in einem Rückführzweig.

In der Prozeßrechnertechnik ist es bei unbekannter Struktur der Regelstrecke bekannt, in einem Rückführzweig ein Modell der Regelstrecke in Form eines Modellrechners anzuordnen, dem das für die Regelstrecke bestimmte Stellsign ' 'virallel zugeführt wird, und wobei ein Vergleich ach vorheriger

Vermutung zu erwartenden, mn «..^n sich tatsächlich einstellenden Signal vorgenommen wird. Es erfolgt dann eine zweckmäßige Korrektur entweder im Regelkreis selbst oder an den Modelleigenschaften, so daß Übereinstimmung erzielt werden kann zwischen der der Programmierung des Prozeßrechners zugrunde liegenden Vorstellung vom Zeitverhalten der Regelstrecke und den tatsächlichen Eigenschaften der Regelstrecke selbst.

Zur dynamischen Optimierung von Regelungsübergängen sollte nun nach sämtlichen bekannten Optimierungskriterien, so auch beispielsweise nach dem des symmetrischen Optimums, die Reglerverstärkung in einem ganz bestimmten Verhältnis zur jeweiligen Verstärkung der Regelstrecke stehen, was durch eine entsprechende Adaption der Reglerverstärkung an die Regelstreckenverstärkung erfolgen kann. Bei den auf die Regelstrecke einwirkenden Störeinflüssen ist nun zu unterscheiden zwischen solchen, welche die Regelstreckenverstärkung unbeeinflußt lassen (additiv wirkende Störgrößen) und solchen, welche die Regelstreckenverstärkung verändern, wie z. B. Temperaturschwankungen oder sonstige, die Verstärkung der einzelnen Regelstreckenglieder beeinflussende Größen (multiplikativ wirkende Störgrößen). Es wäre nun eine selbsttätig wirkende Einrichtung erwünscht, welche die von den multiplikativ wirkenden Störeinflüssen her-

•Uhrenden Struckenverstärkungsanderungen identifi- tisch unendlich großer Aussleuerbereich vorgesehen

den und dann einen diese kompensierenden Einfluß werden, wenn das Stellgrößensignal direkt auf den

iuf die Verstärkung des Reglers ausübt. Eingang der Regelstreckennachbildung geführt

Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, die würde. Ordnet man dagegen das Vorhalteglied vur Regelstrecke laufend bestimmten Testsignalen zu 5 der Regelstreckennachbildung an, dann werden die unterwerfen, um zu einer Identifizierung ihrer Integratoren der Regelstreckennachbildung nur von Streckenparameter zu gelangen. Wird dieses Ver- Veränderungen des Stellgrößensignals beeinflußt, so fahren bei einer im Betrieb befindlichen Regelstrecke daß bei ihnen ein endlicher Ausstouerbereich genügt, durchgeführt, so ist der Regelgröße stets noch der Die beiden Eingangssignale des Quotientenbildvon dem Testsignal herrührende Einfluß überlagert, io ners sind nach Änderungen der Stellgröße von Null der zwar klein gehalten, jedoch immer noch zu verschieden und werden meist um den Wert Null unerwünschten Störungen Anlaß geben kann. Außer- oszillierend wieder abklingen. Da sie in Phase zudem muß bei diesem Verfahren auch noch für stets einander sind, verschwinden sie beide während der gleichbleibende Testsignale gesorgt werden, was in Identifikation mehrmals gleichzeitig, und das von der Regel mit einem recht beträchtlichen Aufwand 15 dem Quotientenbildner ausgegebene Signal wäre zu verbunden ist. diesen Zeitpunkten unbestimmt bzw. unbestimmbar,

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ohne Ver- würde jedenfalls nicht mit Sicherheit der momenwendung von Testsignalen mit dem am Ende der tanen Regelstreckenverstärkung entsprechen. Ein Regelstrecke erscheinenden Regelgrößensignal die weiteres Merkmal der Erfindung besteht daher in der vorerwähnte Identifizierung durchzuführen. Additiv ao Verwendung eines bei Verschwinden seiner Einauf die Regelstrecke einwirkende Störungen sollen gangssignale sein Ausgangssignal speichernden Quodabei aus dem Regelgrößensignal herausgefiltert tientenbildners. Dieser kann besonders einfach durch werden, auch wenn die Regelgröße ein oder mehrere einen mit einem Multiplizierer gegengekoppelten Integralglieder enthält. Integrator realisiert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungs- 25 Ist beim Betrieb der Regelstrecke mit stationären gemäß durch einen die Reglerverstärkung beein- Verhältnissen über recht lange Zeiten hinweg zu fiussenden Quotientenbildner, dessen einem Eingang rechnen, was vor allem bei den sogenannten Festdas Ausgangssignal der Regelstrecke über ein erstes Wertregelungen der Fall sein wird, dann wird sich Vorhaltglied (n -t- l)-ter Ordnung und dessen aii- die Regelgröße lange Zeit nicht ändern und demderem Eingang das Eingangssignal der Regelstrecke 30 zufolge die Eingangssignale des Quotientenbildners über die zumindest teilweise Nachbildung der Regel- entsprechend lange den Wert Null aufweisen. Um strecke sowie über ein zweites Vorhaltglied solcher bei dem Quotientenbildner eine entsprechend lange Ordnung und Bemessung zugeführt ist, daß die Speicherung des zuvor erarbeiteten Ausgangssignals beiden Eingangssignale des Quotientenbildners in sicherzustellen, kann der in ihm enthaltene Inte-Phase zueinandev sind. Grundgedanke der Erfindung 35 grator nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfinist es also, aus dem Regelgrößensignal die auf die dung als digitaler Zähler ausgebildet sein, dem ein Regelstrecke additiv wirkenden Störeinflüsse durch Spannungsfrequenzumsetzer vorgeordnet und ein Vorhaltglieder zu eliminieren und dieses so gefilterte Digital-Analog-Wandler nachgeordnet ist. Da bei Regelgrößensignal mit einem ihm phasengleichen sehr kleinen Eingangssignalen des Quotientenbildners Signal ins Verhältnis zu setzen, welches am Ende 40 eine sichere Identifizierung fraglich ist, kann zur eines von der Stellgröße beaufschlagten, ein stör- Unterdrückung derselben der Ausgang des Spangrößenfreies Regelstreckenmodell enthaltenden Si- nungsfrequenzumsetzers mit dem Eingang eines gnalpfades auftritt. Das zweite Vorhaltglied ist von Undgatters verbunden sein, an dessen anderem Einerster Ordnung, wenn die Regelstrecke kein Integral- gang der Ausgang eines von der Eingangsgröße des glied enthält (n = 0); im übrigen bestimmt sich seine 45 Spannungsfrequenzumsetzers beaufschlagten Schwell-Ordnung unter Berücksichtigung der Art der Regel- wertfühlers angeschlossen ist.
streckennachbildung aus der Forderung, daß das Die miteinander ins Verhältnis zu setzenden Ein-Stellgrößensignal auf diesem Signalpfad bis zum gangsgrößen des Quotientenbildners oszillieren Quotientenbildner demselben Frequenzgang unter- gleichphasig und weisen daher zeitlich alternierende worfen wird wie bei seinem Weg über a>e Regel- 50 Polaritäten auf. Weil es jedoch für die Identifiziestrecke sowie dem dieser nachgeordneten Vorhalt- rung der Regelstreckenverstärkung nur auf den Beglied. Wesentlich ist, daß bei dieser Identifizierung trag dieser Größen ankommt, können diese bei einer der Regelstreckenverstärkung das Ergebnis unab- einfachen Ausführungsform über Betragsbildner auf hängig von der Größe des betriebsmäßig auftreten- den Eingang des Integrators sowie des Multiplizierers den Stellgrößensignals erarbeitet wird und es nicht 55 geführt werden. Ist jedoch in der von der Regelerforderlich ist, Zahl, Art und Angriffsort der ein- strecke kommenden Eingangsgröße des Quotientenzelnen Störgrößen selbst zu kennen. bildners ein Rauschsignal oder ein anderes hoch-

Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll das frequentes periodisches Störsignal enthalten, dann zweite Vorhaltglied in Signalflußrichtung vor der würde dieses durch einen Betragsbildner gleich-Regelstreckennachbildung angeordnet sein. Diese 60 gerichtet werden und könnte somit das Identifizie-Maßnahme ist dann von Bedeutung, wenn die Regel- rungsergebnis verfälschen. Es empfiehlt sich dann Streckennachbildung mindestens ein Integralglied eine andere Ausführung des Quotientenbildners, enthält. In diesem Fall würde auch die Regelstrecke welche gemäß weiterer Erfindung darin besteht, daß selbst mindestens ein Integralglied aufweisen (η φ 0) die den im Gegenkopplungskreis des Integrators und daher das Stellgrößensignal im stationären (aus- 65 angeordneten Multiplizierer beaufschlagende Eingeregelten) Zustand nicht Null sein, sondern die gangsgröße über einen Funktionsgenerator auf einen Last zu kompensieren haben. Es müßte also bei den weiteren, im Eingangskreis des Integrators angeord-Inteeratoren der Regelstreckennachbildung ein prak- neten Multiplizierer wirkt zur Modulation der Inte-

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gratoreingangsspannung in Abhängigkeit von Vor- zeichnete Regelstrecke beaufschlagt. Die Regelzeichen bzw. Vorzeichen und Amplitude dieser größe χ wird im Eingang des Reglers R mit einem Eingangsgröße. Störsignale der vorerwähnten Art Sollwert w verglichen und das Ergebnis dem Regelgelangen dadurch nicht gleichgerichtet auf den Ein- verstärker 10 zugeführt. Bei dem in Fig. 1 dargang des Integrators und werden durch dessen 5 gestellten Beispiel möge die Regelstrecke S aus zwei Speicherwirkung unterdrückt. Auf einfache Weise mit 2 und 3 bezeichneten Zeitkonstantengliedern sowird bei dieser Anordnung der richtige Regelsinn in wie einem Totzeitglied 1 bestehen; ein Integralglied dem aus Integrator und ihm gegenkoppelnden Multi- ist also in der Regelstrecke nicht vorhanden (;i = 0). plizierer bestehenden Regelkreis hergestellt, und es Vor und hinter den einzelnen Regelkreisgliedern 1, 2 besteht die Möglichkeit, die Arbeitsgeschwindigkeit io und 3 sind multiplikativ wirkende Störeinflüsse Kl, des Quotientenbildners bei kleinen Eingangssignalen Kl, K 3 sowie additiv wirkende Störeinflüsse L1, zu erhöhen. Ll und L3 angenommen, deren Änderungs-

Wird der Integrator mittels analog arbeitender geschwindigkeit klein gegenüber denjenigen der Mittel realisiert und kann bei ihm eine unbegrenzt übrigen zeitveränderlichen Größen des Regelkreises lange Speicherfähigkeit nicht vorausgesetzt werden, 15 sei. Als multiplikativ wirkende Störeinflüsse können so erweist es sich nach einer weiteren Ausgestaltung auch betriebsmäßige Verstärkungsänderungen bei der Erfindung als vorteilhaft, ihm eine geringe, ihn den Regelkreisgliedern 1, 2 und 3 angesehen werden, an eine definierte Begrenzung führende, konstante Es beeinflussen nur die multiplikativ wirkenden Stör-Zusatzeinspeisung zu geben, die ihn im stationären einflüsse die Verstärkung der Regelstrecke S, deren Betrieb bei verschwindenden Eingangssignalen des 20 Produkt identifiziert werden soll, mit dem Ziel, durch Quotientenbildners an einen definierten Anschlag eine gegenläufige Veränderung der Verstärkung des führt, der so gewählt ist, daß das Ausgangssignal Reglers .R den Einfluß dieser Störgrößen Kl bis K 3 des Quotientenbildners dann die maximal mögliche zu eliminieren. Es wird hierzu die Regelgröße χ über Reglerverstärkung einstellt. In dieser Wartestellung, ein Vorhaltglied 4 auf die mit 5 bezeichnete Eind. h. bis zum Auftreten der nächsten Veränderung ag gangsklemme eines Quotientenbildners 6 geführt. Die des Stellgrößensignals, bliebe dann der Regler auf Klemme 5 ist dem Dividendeneingang desselben zuhöchste Empfindlichkeit eingestellt, so daß zu Be- geordnet. Für die Stellgröße y ist ein zweiter Signalginn des Auftretens der nächsten Regelabweichung weg vorgesehen, der über ein weiteres Vorhaltglied 7 eine überaus schnell ablaufende Anfangsphase bei sowie über eine mit M bezeichnete Regelstreckenderen Ausregelung zu erwarten ist. 30 nachbildung auf den Divisoreingang 8 des Quotienten-

Der zuvor erwähnte Funktionsgenerator zur Modu- bildners 6 führt.

lation der Integratoreingangsspannung kann nach Die Regelstreckennachbildung M ist ein vollständieinem weiteren Merkmal der Erfindung einfach aus ges Modell der Regelstrecke 5 und unterscheidet sich einem Betragsbildner bestehen, dem ein Kehrwert- von dieser nur dadurch, daß auf sie keine betriebsverstärker nachgeordnet ist, sowie aus einem Schalt- 35 mäßig auftretenden Störeinflüsse L1 bis L 3 sowie K1 verstärker zur Umpolung des Ausgangssignals des bis K 3 wirken. Die Vorhaltglieder 4 und 7 sind Kehrwertverstärkers in Abhängigkeit von der Polari- gleich bemessen und von erster Ordnung. Sie ertät des Eingangssignals des Betragsbildners. Der füllen die Aufgabe, die dem Quotientenbildner 6 zu-Kehrwertverstärker selbst kann dabei mittels eines geführten Signale x_d und x_m frei vom Einfluß dei von einer konstanten Spannung beaufschlagten Ver- 40 additiv wirkenden Störgrößen Ll bis L3 zu halten, stärkers hohen Verstärkungsgrades realisiert werden, Die Signale x,„ und x_d sind in Phase zueinander. Wie dessen Ausgangssignale beidseitig auf einen maxi- eine Analyse des Frequenzganges der beiden Signal· malen Wert begrenzt sind und in dessen Gegenkopp- wege für die Stellgröße y bis zu den Eingängen £ lungszweig ein vom Ausgang des Betragsbildners be- und 8 des Quotientenbildners 6 ergibt, entspricht dei aufschlagter Multiplizierer angeordnet ist. Der Be- 45 Quotient x,,lx_m zu jedem Zeitpunkt genau dem Protragsbildner kann in einfacher Weise aufgebaut sein dukt K = Kl ·Κ2·Κ3 sämtlicher multiplikativ aul aus der Reihenschaltung eines Umkehrverstärkers die Regelstrecke 5 wirkender Störgrößen. Wird mi mit einer Diode, wobei dieser Reihenschaltung eine dieser Größe K die Verstärkung des Reglers R umDiode gleicher Durchlaßrichtung parallel geschal- gekehrt proportional beeinflußt, beispielsweise wi< tet ist. so dargestellt durch eine mit 11 bezeichnete Dividier

Für eine besonders schnell arbeitende Identifizie- einrichtung, so wird jede betriebsmäßige Verände

rung und damit eine besonders schnelle Anpassung rung von K bzw. der tatsächlich wirksamen Regel

kann als das auf die Regelverstärkung einwirkende Streckenverstärkung durch eine gegenläufige Ver

Ausgangssignal des Quotientenbildners bei der vor- änderung der Reglerverstärkung exakt kompensiert

genannten Amplitudenmodulation der Integrator- 5S Der Regelkreis bleibt dadurch dauernd optimiert,

eingangsspannung das um den Wert des Integrator- F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfin

ausgangssignals vergrößerte Eingangssignal des Inte- dungsgemäßen Einrichtung bei der Regelstrecke

grators verwendet werden. Es steht dann — un- welche ein Integralglied 12 mit dem Frequenzganj

abhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit des Inte- HpT enthält (n=l). Die Struktur dieser Regel

grators — in jedem Augenblick der für eine opti- 60 strecke würde z.B. der eines über Stromrichter ge

male Regelung zu verwendende Korrekturfaktor zur speisten Gleichstromantriebes entsprechen, wöbe

Verfügung; nach Verschwinden der Eingangssignale das Totzeitglied die statistische Laufzeit des Strom

des Quotientenbildners bleibt sein zuvor erarbeitetes richters, das Zeitkonstantenglied den Ankerkreis um

Ausgangssignal gespeichert. das Integralglied die mechanische Schwungmasse de

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Fi- 65 Motors repräsentiert. Wie beim Ausführungsbeispie

guren näher erläutert werden. nach Fig. 1 mögen an beliebiger Stelle, insbeson

F i g. 1 zeigt einen mit R bezeichneten Regler, dere in Signalflußrichtung auch vor dem Integralgliei

dessen Ausgangssignal als Stellgröße y eine mit S be- 12, additive und multiplikative Störeinflüsse wirksan

sein, die zusammengefaßt mit L und K bezeichnet glied zusammengefaßt, so daß der tatsächlich zu sind. Zur Eliminierung der additiven Störungen L realisierende Parallelsignalweg für die Stellgröße y wird nun ein Vorhaltglied 13 von zweiter Ordnung im Extrem lediglich nur noch ein Vorhaltglied erster vorgesehen, welches beispielsweise aus der Hinter- Ordnung sowie eine sämtliche Integralglieder nicht einanderschaltung zweier von in F i g. 1 mit 4 bzw. 7 5 mehr enthaltene Nachbildung der Regelstrecke M' bezeichneten Vorhaltglieder bestehen kann. In dem aufzuweisen braucht. Es wird vom Einzelfall ab-Parallelsignalweg für das Stellgrößensignal y ist eben- hängen, ob man auf diese Weise die Integralglieder falls ein Vorhaltglied zweiter Ordnung vorgesehen ganz oder nur teilweise aus der vollständigen Regel- und besteht aus der Hintereinanderschaltung zweier streckennachbildung eliminiert.
Vorhaltglieder 14 und 15. Das Ausgangssignal des io Die bisherige Darstellung ließ außer acht, daß Vorhaltgliedes 15 beaufschlagt wiederum eine voll- ideal differenzierende Filter mit der bei den Vorhaltständige Nachbildung M der Regelstrecke S. Sowohl gliedern 4, 7, 13, 14, 15 und 18 angedeuteten Uberdas am Ausgang des Vorhaltgliedes 13 erscheinende gangsfunktion bzw. mit dem idealisierten Frequenz-Signal x,_h als auch das am Ausgang der Regel- gang pB nicht realisierbar sind, sondern daß der Frestreckennachbildung M erscheinende Signal x_m be- 15 quenzgang eines differenzierenden Filters stets von finden sich in Phase zueinander und enthalten infolge der allgemeinen Form pB/{\ + pÄ) sein muß, woder Filterwirkung der verwendeten Vorhaltglieder bei A und B konstante Koeffizienten sind und ρ = j ω keinerlei Komponenten, welche von den additiv die Frequenz darstellt. Der Term 1 + ρ Α wird als wirkenden Störgrößen L herrühren. Zum Unterschied sogenannter »parasitärer Nenner« des Vorhaltgliedes zu der Anordnung nach F i g. 1 wird hier das Si- 20 bezeichnet. F i g. 3 zeigt nun eine praxisnahe Vergnal x„, dem Dividendeneingang 5 des Quotienten- wirklichung der Vorhaltglieder bei der in F i g. 2 mit bildners 6 zugeführt, während das am Ausgang des senkrechter Stellung der Schaltbrücken 17 sich er-Vorhaltgliedes 13 erscheinende Signal x_d auf den gebenden Variante, wobei jedoch vom Quotienten-Divisoreingang 8 wirkt. Es erscheint daher an der bildner 6 nicht die Größe l/K, sondern die Größe K Ausgangsklemme 9 des Quotientenbildners 6 die dem 25 gebildet wird und diese umgekehrt proportional auf Produkt K der multiplikativ wirkenden Störeinflüsse die Verstärkung des Reglers R wirken soll. Das zwiumgekehrt proportionale Größe IIK, welche nun- sehen den Klemmen 20 und 21 angeordnete Vormehr über einen Multiplizierer 16 die Verstärkung haltglied 13 von zweiter Ordnung besteht beim dardes Reglers analog wie bei der Anordnung nach gestellten Beispiel aus der Hintereinanderschaltung Fig. 1 beeinflußt. Wiederum werden auf diese Weise 30 zweier Vorhaltglieder erster Ordnung der vorerwähn-Änderungen der Streckenverstärkung kompensiert. ten Form und weist daher den Frequenzgang Eine Vereinfachung kann sich für die Ausbildung p- · B^z!(\ -f pÄf auf. Die im Parallelsignalweg vordes Parallelsignalpfades der Stellgröße y unter Be- gesehene Hintereinanderschaltung des in F i g. 2 annutzung der Tatsache ergeben, daß die Hinter- gegebenen Vorhaltgliedes 14 sowie des Proportionaleinanderschaltung eines Differenziergliedes und eines 35 gliedes 18 wird mittels eines Differenziergliedes erster Integralgliedes äquivalent ist einem gerätetechnisch Ordnung mit dem Frequenzgang pBI(l + pA) sowie einfacher aufgebauten Proportionalglied. Dies ist bei eines Verzögerungsgliedes mit dem Frequenzgang der Variante der Fig. 2 geschehen, die sich ergibt, BIT{\ 4- pÄ) verwirklicht, so daß sich für den Frewenn die beiden in F i g. 2 mit 17 bezeichneten quenzgang des zwischen den Klemmen 22 und 23 Schaltbrücken in ihre senkrechte Stellung gebracht 40 angeordneten Vorhaltgliedes 19 insgesamt der Frewerden. An Stelle des Differenziergliedes 15 mit dem quenzgang ρ -B²IT(I + ρA)- ergibt. Die parasitären idealisierten Frequenzgang pB tritt ein Proportional- Nenner der beiden Vorhaltglieder 13 und 19 sind soglied 18 mit dem Verstärkungsfaktor V — BIT. Die mit gleich. Die Regelstreckennachbildung M' enthält dann zum Einsatz kommende Regelstreckennachbil- das dem Integralglied 12 der Regelstrecke S entdung M' enthält die Nachbildung des Integriergliedes 45 sprechende Analogon 12' nicht; die beiden Signale *_d 12 nicht mehr, womit auch hier eine geräte- und x_m sind in Phase zueinander und können zur technische Vereinfachung gegenüber der vollständi- Selbsteinstellung der Reglerverstärkung zueinander gen Regelstreckennachbildung M erreicht werden ins Verhältnis gesetzt werden.

kann. In analoger Weise wäre zu verfahren, wenn Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß für

allgemein η Integralglieder in der Regelstrecke ent- 50 die Zwecke der Erfindung die zeitkonstanten Koef-

halten sind: Das Regelgrößensignal χ wird mittels fizienten A und B völlig beliebig gewählt werden

eines Vorhaltgliedes (n + l)-ter Ordnung zu einem können; wesentlich ist nur, daß bei dem in F i g. 3

Signal x_rf gefiltert zur Elimination von aus additiven dargestellten Beispiel die Regelgröße χ einer zwei- Störgrößensignalen herrührender Komponenten. Unter maligen und die Stellgröße)' einer einmaligen Diffe- Beachtung der Forderung, daß das mit dem gefilter- 55 rentiation unterworfen wird. Die parasitären Nenner

ten Signal x_d in Vergleich zu setzende Signal x_m die- sowie die Koeffizienten B heben sich bei der Division

selbe Phase aufweisen soll, was dann erfüllt ist, wenn gegenseitig auf, so daß unabhängig vom Verlauf des

die Frequenzgänge der beiden dem Stellgrößen- Stellgrößensignals sowie vom speziellen Aufbau der

signal angebotenen Signalwege bis zu den Ein- Vorhaltglieder, sofern sie nur den zuvor angegebenen

gangen 5 und 8 des Quotientenbildners 6 sich ledig- 60 Bedingungen genügen, stets an der Ausgangs-

lich um einen konstanten Faktor unterscheiden, wird klemme 9 des Quotientenbildners 6 eine Größe zur

zunächst in dem die vollständige Regelstreckennach- Verfügung gestellt wird, welche der tatsächlich auf-

bildung enthaltenden Parallelsignalweg der Stell- tretenden Verstärkung der Regelstrecke S entspricht,

größe y ebenfalls ein Vorhaltglied (« + l)-ter Ord- Fi g. 4 zeigt eine gerätetechnische Realisierung des

nung angenommen; von diesem wird ein Vorhalt- 65 Vorhaltgliedes 13 mittels passiver Bauelemente. Es

glied bis zu n-ter Ordnung abgespalten und mit der besteht aus einem zwei Kondensatoren C1 und zwei

entsprechenden Zahl der Integralglieder der Regel- ohmsche Widerstände R1 enthaltenden /?C-Diffe-

streckennachbildung zu einem reinen Proportional- rentiationsnetzwerk.

F i g. 5 gibt eine entsprechende Verwirklichung des in F i g. 3 mit 19 bezeichneten Vorhaltgliedes wieder. Das Eingangsnetzwerk C 2, R 2 ist wie bei F i g. 4 ein Differentiationsnetzwerk; die Anordnung aus dem Widerstand R 3 und dem Kondensator C 3 stellt dagegen ein Verzögerungsnetzwerk dar. Die Widerstände R2, R3, CI und C3 können nach bekannten Regeln so bemessen werden, daß unter Berücksichtigung der Integrierzeit T des in der Regelstrecke S enthaltenen Integralgliedes 12 (F i g. 2) die Frequenzgänge der Vorhaltglieder 13 und 19 den oben dargelegten Bedingungen entsprechen. Selbstverständlich können die erforderlichen Frequenzgänge der beiden Vorhaltglieder 13 und 19 auch mittels aktiver Elemente, d. h. mittels aus der Analog-Rechentechnik bekannter Operationsverstärker unter Anwendung der dort üblichen Methoden verwirklicht werden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen speichernden Quotientenbildner, der bei gleichzeitigem Verschwinden seiner an die Klemmen 5 und 8 gelegten Eingangsgrößen x_d undx„, den zuvor ermittelten Quotienten x_dlx„, speichert, ihn also gewissermaßen »einfriert«. Dies wird im wesentlichen durch die Speicherwirkung eines Integrators erreicht, der ja bekanntlich bei Verschwinden seines Eingangssignals sein Ausgangssignal beibehält. Das Eingangssignal dieses Integrators 24 besteht aus dem Ausgangssignal eines von der Größe x_d als Dividend beaufschlagten Betragsbildners 25, in dessen Blocksymbol die Abhängigkeit a — \e\ seiner Ausgangsgröße α von seiner Eingangsgröße e dargestellt ist. In einem Mischpunkt 26 wird von dem Ausgangssignal des Betragsbildners 25 ein Gegenkopplungssignal subtrahiert, welches in dem Ausgangssignal eines Multiplizierers 27 besteht, dessen einer Eingang von der Ausgangsgröße des Integrators 24 und dessen anderer Eingang von einem weiteren Betragsbildner 28 beaufschlagt ist, an dessen Eingang die Größe x_m liegt. Das Ausgangssignal des Integrators 24 ändert dann seinen Wert nicht mehr, wenn seine Eingangsgröße gleich Null ist, d. h. die Beziehung besteht X₁I = Kx_m, wo K die Ausgangsgröße des Integrators 24 darstellt. Bei von Null verschiedenen Werten von X₁, und x_m stellt sich also das Ausgangssignal des Integrators selbsttätig auf den Wert K = XjIx_n, ein; bei gleichzeitigem Verschwinden der Größen x_d und x_m ist die zuvor erwähnte Beziehung ebenfalls erfüllt; es wird dann der ermittelte Wert von K als Integratorausgangssignal beibehalten. Zweckmäßigerweise wird die Integrierzeit T₁ des Integrators 24 hinreichend klein gewählt, damit der Quotient K = x_dlx_m jeweils schnell zur Verfügung steht.

Fig. 7 gibt eine andere Ausführungsform eines speichernden Quotientenbildners wieder, der für manche Anwendungsfälle in verschiedener Hinsicht eine Verbesserung gegenüber der Anordnung nach F i g. 6 darstellt. Der mittels eines Multiplizierers 27 gegengekoppelte Integrator 27 wurde beibehalten, so daß auch hier eine Ergebnisspeicherung gewährleistet ist. Zum Unterschied zu der Ausführungsform nach F i g. 6 wirken jedoch nicht die Beträge der Größen x_d und x_m auf Eingangs- und Gegenkopplungskreise des Integrators 24, sondern die Größen selbst. Ein etwa in dem Eingangssignal x_d enthaltener, überlagerter hochfrequenter Rauschanteil wird daher nicht wie bei der Anordnung nach Fig. 6 durch die Wirkung des Betragsbildners 25 gleichgerichtet, sondern gelangt als überlagerte Wechselgröße auf den Eingang des Integrators 24 und wird durch dessen Speicherwirkung geglättet, d. h. unterdrückt, sofern der Kehrwert der Integrierzeit T₁ des Integrators 24 genügend klein gegenüber den vorhandenen Rauschfrequenzen ist, was jedoch in der Regel der Fall sein wird. Da die Größen x_d und x,„ alternierender Polaritäten fähig sind, wird bei Vorzeichenwechsel der Größe x„„ der ja auf Grund ihrer Phasengleichheit mit der Größe x_d gleichzeitig mit deren Vorzeichenwechsel erfolgt, das

ίο Eingangssignal des Integrators umgepolt, so daß der Regelsinn des aus dem Integrator 24, dem Multiplizierer 27 sowie dem Multiplizierer 29 bestehenden Regelkreises keine Änderung erfährt. Die erwähnte Polaritätsumkehr des Integratoreingangssignals wird mittels eines Funktionsgenerators 30 bewerkstelligt, der eingangsseitig ebenfalls von der Größe x_m beaufschlagt ist und der seinerseits auf den einen Eingang des Multiplizierers 29 wirkt. Der andere Eingang dieses Multiplizierers wird mit der Differenz zwischen dem Eingangssignal x_d und dem Ausgangssignal des Multiplizierers 27 beaufschlagt.

Zur Sicherstellung des richtigen Regelsinnes müßte der Funktionsgenerator 30 an sich nur eine reine Umpolfunktion erfüllen; seine Kennlinie könnte daher nach der in seinem Blocksymbol strichpunktierten Geraden verlaufen; er würde dann wie ein Kippverstärker wirken. Vorteilhafter im Sinne einer Anpassung an die Eingangssignalamplituden ist es aber, wenn der Funktionsgenerator 30 die in seinem Blocksymbol voll ausgezogene hyperbolische Charakteristik aufweist, welche für unterhalb eines kleinen Schwellwertes s liegenden Eingangssignale e durch die Beziehung a = c ■ sign(e), wo c eine Konstante ist und für diesen Schwellwert übersteigende Eingangssignale durch die hyperbolische Beziehung α ~ 1 Ie beschrieben wird, wobei a die Ausgangsgröße des Funktionsgenerators 30 darstellt. Der Integrator 34 erhält damit eine Eingangsgröße, welche unabhängig von den Amplituden der Signale χ_ά und x_m wird und nur noch von deren Verhältnis abhängt. Die Arbeitsgeschwindigkeit des Integrators. d. h. die Zeit, bis dessen Ausgangssignal dem gesuchten Verhältnis entspricht, ist dabei für einen im betrachteten Zeitraum als konstant angenommener Störgrößeneinfluß bei großen und bei kleinen Amplituden der Eingangsgrößen x_d und x_m stets dieselbe Durch die vorerwähnte hyperbolische Charakteristik des Funktionsgenerators 30 wird also eine konstante Identifizierungszeit erreicht.

Ist im stationären Zustand der Regelstrecke 5 di< Stellgröße y eine längere Zeit konstant geblieben dann werden die Eingangsgrößen x_d und x_m beide zi Null. Wird der Integrator 24 mittels analoger Mittel beispielsweise mittels eines kapazitiv gegengekoppel ten elektronischen Verstärkers, realisiert, so ist untei Umständen mit einem unkontrollierbaren langsamer Abdriften seiner Ausgangsspannung in ihre eine ode: andere Endlage zu rechnen. Um dies zu verhindern ist eine geringe konstante Zusatzeinspeisung ζ an de

Mischstelle 31 vorgesehen, die den Ausgang de: Integrators 24 an einen mit 32 bezeichneten, defl nierten Begrenzungsanschlag führt, wobei dann da Ausgangssignal des Integrators 24 einen kleinen, nu wenig von Null verschiedenen Wert aufweist. Diese Anschlag kann in an sich bekannter Weise mittel Begrenzerdioden am Ausgang des Integrators 2* realisiert sein.
Liegt die Ausgangsgröße des Integrators an diesen

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Anschlag, dann hat dies zur Folge, daß die Größe K zeitigem Verschwinden der an den Eingangsklemauf ihren kleinstmöglichen Wert, die Verstärkung des men 5 und 8 auftretenden Signale erreicht.
Reglers damit auf ihren größtmöglichen Wert ein- F i g. 8 zeigt eine Integrationseinrichtung unter gestellt ist. An sich wäre in diesem Zustand die Verwendung digitaler Bauelemente, welche als Inte-Reglerverstärkung viel größer eingestellt, als es das 5 grator 24 bei den Anordnungen nach den F i g. 6 Optimierungskriterium fordern, und vor allem, als es und 7 verwendet werden kann und vollkommen driftdie Stabilitätsbedingungen zulassen würden. Dies ist frei ist. Sie besteht aus einem Spannungsfrequenzjbdoch ohne nachteilige Folgen, solange sich an der umsetzer 37, der eine an der Klemme 33 angelegte Stellgröße y nichts verändert. Bei jeder Veränderung analoge Eingangsspannung in eine Folge von Imderselben, d.h. bei jedem Auftreten einer neuen io pulsen umsetzt, deren Folgefrequenz dieser Eingangs-Regelabweichung zwischen dem Sollwert w und der spannung proportional ist. Diese Impulse wirken an Regelgröße χ wird jedoch das sehr kleine Zusatz- den einen Eingängen von Undgattern 38 und 41, an signal ζ durch die nun erscheinenden Eingangs- deren anderen Eingängen die Ausgangssignale eines signale x_d bzw. x_m überspielt; der Quotientenbildner Schwellwertgliedes 29 liegen. Aufgabe dieses Schwellgelangt wieder unter den Einfluß dieser Größen und 15 wertgliedes ist es, bei unterhalb einer Ansprechidentifiziert dann hinreichend schnell den tatsäch- schwelle s liegenden Amplituden der an die Klemme liehen Wert der Regelstreckenverstärkung unter ent- 33 angelegten Eingangsspannung die Undgatter 38 sprechender Verminderung der Reglerverstärkung und 41 zu sperren, sonst jedoch für die Impulse des bis auf den für den optimalen Regelvorgang vorge- Spannungs-Frequenzumsetzers zu öffnen. Diese Spersehenen Wert, so daß die Gefahr eines Instabil- 20 rung kann sich mit Rücksicht darauf empfehlen, daß werdens des Regelkreises rechtzeitig abgewendet bei zu kleinen Eingangssignalen ein zuverlässiges Arwird. Es hat sich gezeigt, daß durch diese im sta- beiten des Quotientenbildners in Frage gestellt ist tionären Zustand bewußt zu groß eingestellte Ver- Der Ausgang des Undgatters 38 ist zu dem Vorwärtsstärkung des Reglers sowie die nachträgliche Ein- zähleingang eines bidirektionalen Zählers 40. der stellung auf den richtigen Wert nach Verlassen des 25 Ausgang des Undgatters 41 ist zu dem Rückwärtsstationären Zustandes zu einer weitaus schnelleren zähleingang desselben geführt und beaufschlagt Ausregelung von Regelabweichungen führt als die diesen bei negativen Amplituden der an die Klemme Verwendung eines bezüglich seines Verstärkungs- 33 angelegten Eingangsspannung die Undgatter 38 grades dauernd optimal an die Regelstrecke ange- Zähler 40 wirkt somit als ein digitaler Speicher; seine paßten Reglers. Dies ist auch insofern einleuchtend, 30 Ausgangsgröße wird in einem Digital-Analog-Wandals die Beseitigung einer auftretenden Regel- ler 42 in ein analoges Spannungssignal umgeformt, abweichung grundsätzlich um so schneller verläuft, welches dann an der Klemme 9 erscheint,
je höher die Reglerverstärkung gewählt wird. Wenn Die F i g. 9 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit für also bei Beginn eines Anregelvorganges die maximal den in F i g. 7 mit 30 bezeichneten Funktionsgeneerreichbare — bei dauernder Einwirkung höchst- 35 rator. Entsprechend der in der Analogrechentechnik wahrscheinlich aufklingende Schwingungen verursa- üblichen Darstellungsweise sind für elektronische chende — Reglerverstärkung zum Einsatz kommt, Verstärker Dreiecksymbole verwendet, worin die zudiese jedoch rechtzeitig auf den für ein stabiles opti- gehörigen Verstärkungsfaktoren vermerkt sind. Die males Arbeiten maßgeblichen Wert reduziert wird, an der Eingangsklemme 43 anliegende Eingangsdann sollte der Regelvorgang insgesamt schneller 40 größe x_m wird zunächst auf einen aus zwei Dioden verlaufen, als wenn dieser reduzierte Wert der Regel- 45 und 46 sowie einem Umkehrverstärker 47 beverstärkung von Anfang an zum Einsatz gelangt. stehenden Betragsbildner gegeben, dessen Ausgangs-Wenn es als störend empfunden wird, daß der signal .v„, auf einen Eingang eines dem Gegenkopp-Integrator 24 zum Durchführen der Identifikation lungskreis eines weiteren Verstärkers 48 angeordeine gewisse Zeit benötigt, wenn also auch zu jedem 45 neten Multiplizierers 51 wirkt. Die Eingangsgröße beliebigen Zeitpunkt der Quotient x_d/x_m als Maß für des Verstärkers 48 ist eine konstante Gleichspandie Regelstreckenverstärkung verfügbar sein soll, nung U. Am Ausgang des Verstärkers 48 entsteht kann die Variante verwendet werden, die sich bei der daher eine Größe, welche proportional dem Kehr-Anordnung nach F i g. 7 ergibt, wenn eine zusatz- wert des Betrages von x_m ist. Wird von der Größe .v_m liehe Schaltverbindung zwischen den mit 33 und 34 5° außerdem noch ein mit 49 bezeichneter Kippverstärbezeichneten Klemmen hergestellt und die mit 35 ker beaufschlagt, welcher seinerseits ein Schaltglied, bezeichnete Schaltbrücke in ihre senkrechte Stellung im dargestellten Beispiel ein polarisiertes Relais 50. gebracht wird. Am Ende des über den Funktions- betätigt, dann wird entsprechend der Polarität dei generator 30 und den Multiplizierer 29 führenden Eingangsgröße x_m das Ausgangssignal des als Kehr-Signalpfades, d. h. am Ausgang des Multiplizierers 55 wertverstärker anzusprechenden Verstärkers 48 ent-29, ist nämlich bereits eine Größe vorhanden, welche weder direkt oder umgepolt an die Klemme 44 gein jedem Zeitpunkt eine dem Verhältnis x_dlx_m pro- führt, so daß sich an der Ausgangsklemme 44 in Abportionale Größe enthält, indem sich das an der hängigkeit von dem Eingangssignal der in F i g. 7 in Klemme 33 auftretende Signal unter Berücksichti- Blocksymbol 30 skizzierte Funktionsverlauf ergibt gung der hyperbolischen Umformung durch den 60 Die angedeutete Ausgangsbegrenzung beim Verstär Funktionsgenerator 30 darstellt zu x_dlx„, - K, wo K ker 48 stellt definierte maximale Ausgangsspannunget das momentane Ausgangssignal des Integrators 24 sicher, die sich bei kleinen, unterhalb eines be ist. Wird demzufolge in einer Mischstelle 36 das stimmten Schwellwertes — in Fig. 7 mit s bezeich Ausgangssignal des Integrators 24 hinzuaddiert, dann net — liegenden Werten von x_m ergeben, wahrem tritt an der Klemme 9' zu jedem Zeilpunkt eine dem 65 bei größeren Werten von x_m die Ausgangsspannunj Verhältnis x_(llx_m entsprechende Spannung auf. Mit des Verstärkers 48 hyperbolisch abfällt,
dieser Variante wird also sowohl eine sofortige Aus dem Umstand, daß die erfindungsgemäßi Identifizierung als auch eine Speicherung bei gleich- Einrichtung selbsttätig jede Abweichung des Regel

Streckenverstärkers von einem vorgegebenen Wert, der durch die konstante Verstärkung der Regelstreckennachblldung bestimmt ist, entgegenwirkt, ergibt sich auch eine bedeutende Erleichterung bei der Dimensionierung des Reglers sowie die Vermeidung der oft recht zeitraubenden Einstellmaßnahmen bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Regelkreises, Die Verstärkung der Regelstreckennachbildung kann nämlich von vornherein, ohne die Verstärkung der Regelstrecke selbst zu kennen, auf einen angenommenen Wert festgelegt werden. Zweckmäßigerweise wird man dabei irgendeinen Wert wählen, der im Bereich der erwarteten Regelstreckenverstärkungsänderungen liegt. Gleichermaßen wird zunächst der Regler von vornherein gemäß diesem angenommenen Wert unter Berücksichtigung irgendeines wählbaren Optimie-

rungskriteriums eingestellt. Bei der späteren Inbetriebnahme des Regelkreises wird die Abweichung der tatsächlichen Regelstreckenverstärkung von dem angenommenen Wert durch die erfindungsgemäße Einrichtung identifiziert — genauso, als ob eine Störgröße wirksam wäre ·- und durch Einwirkung auf die Reglerverstärkung kompensiert. Jegliches empirisches Einstellen am Betriebsort entfällt dadurch.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Nachbildung der Regelstrecke nicht allzu genau zu sein braucht; insbesondere können Regelkreisgljeder höherer Ordnung durch Nachbildungsglieder einfacherer Ordnung approximiert werden, ohne daß dadurch die bestimmungsgeniäße Funktion der Erfindung in Frage gestellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur selbsttätigen Anpassung der Verstärkung eines Reglers an die jeweilige Verstärkung einer im Betrieb befindlichen Regelstrecke mit η Integralgliedern unter Verwendung einer zumindest teilweisen Nachbildung der Regelstrecke in einem RUckführzweig, gekennzeichnet durch einen die Reglerverstarkung beeinflussenden Quotientenbildner (6), dessen einem Eingang (5) das Ausgangssignal (x) der Regelstrecke (S) über ein erstes Vorhaltglied

(« + l)-ter Ordnung (4, i3) und dessen anderem Eingang (8) das Eingangssignal (y) dt>r Regelstrecke über die zumindest teilweise Nachbildung (M, M') der Regelstrecke sowie über ein zweites Vorhaltglied (7, 14 und 18) solcher Ordnung und Bemessung zugeführt ist, daß die beiden Eingangssignale [x_d, X_1n) des Quotientenbildners (6) in Phase zueinander sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Vorhaltglied (7,14 und 18) in Signalflußrichtung vor der Regelstreckennachbildung (M, M') angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen bei Verschwinden seiner Eingangssignale sein Ausgangssignal speichernden Quotientenbildner (Fig. 6 und 7).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen mit einem Multiplizierer (27) gegengekoppelten Integrator (24).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator als digitaler Zähler (40) ausgebildet ist, dem ein Spannungsfrequenz-Umsetzer (37) vorgeordnet und ein Digital-Analog-Wandler (42) nachgeordnet ist (Fig. 8).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Spannungsfrequenz-Umsetzers mit den Eingängen zweier Undgatter (38, 41) verbunden ist, an deren anderen Eingängen die Ausgänge eines von der Eingangsgröße des Spannungsfrequenzumsetzers beaufschlagten Schwellwertfühlers (39) angeschlossen sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgröße des Quotientenbildners über Betragsbildner (25, 28) auf den Eingang des Integrators sowie des Multiplizierers geführt sind (F i g. 6).

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den im Gegenkopplungskreis des Integrators (24) angeordneten Multiplizierer (27) beaufschlagende Eingangsgröße über einen Funktionsgeneratoi (30) auf einen weiteren, im Eingangskreis des Integrators angeordneten Multiplizierer (29) wirkt zur Modulation der Integratoreingangsspannung in Abhängigkeit von Vorzeichen bzw. Vorzeichen und Amplitude dieser Eingangsgröße (F i g. 7).

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 4, 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine den Integrator an eine definierte Begrenzung führende, konstante Zusatzeinspeisung (z).

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (30) aus einem Betragsbildner besteht, dem ein Kehrwertverstärker nachgeordnet ist, sowie aus einem Schaltverstärker (49) zur Umpolung des Aus« gangssignals des Kehrwertverstlirkers in Abhängigkeit von der Polarität des Eingangssignals des Betragsbildners (Fig. 9).

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der KehrwertverstBrker aus einem von einer konstanten Spannung (U) beaufschlagten Verstarker (48) hohen Verstärkungsgrades besteht, dessen Ausgangssignale beidseitig auf einen maximalen Wert begrenzt sind und in dessen Gegenkopplungszweig ein vom Ausgang des Betragsbildners beaufschlagter Multiplizierer (51) angeordnet ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Betragsbildner aus der Reihenschaltung eines Umkehrverstärkers (47) mit einer Diode (46) besteht.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignal des Quotientenbildners das um den Wert seines Ausgangssignals vergrößerte Eingangssignal des Integrators (24) verwendet ist (Fig. 7).