DE1908862A1

DE1908862A1 - Servosteuersystem

Info

Publication number: DE1908862A1
Application number: DE19691908862
Authority: DE
Inventors: Plummer Dexter Robert
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1968-02-22
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1969-09-18
Also published as: FR2002413A1; NL6902716A; GB1206720A; US3660744A

Description

Patentanwälte -<- Dipl.-Ing. R Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmänn, DIPL^PHYS-Dr-KZFiNCKe Dipl.-Ing. R A.Weickmann,. Dipl.-Chem. B. Hüber

- 8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

THERAMiORGAWISATIOHLIMITED,¹

11 Belgrave Road, London S.W.1, England

Servosteuersystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein ServoSteuersystem mit einem Betätigüngsglied, das von einer Quelle gespeist ist, die auf ein Anforderungssignal und auf ein Rückkopplungssignal hin das Betätigungsglied ansteuert, wobei das Anforderungssignal für die jeweils geforderte Einstellung des Betätigungsgliedes charakteristisch ist und das Rückkopplungs,signal für die jeweilige tatsächliche Einstellung des Betätigungsgliedes. Das ServoSteuersystem kann ein st ellungs empfindliches System sein,- bei dem das Rückkopplungssignal und das Anforderungssignal charakteristisch sind für die'jeweilige tatsächliche Stellung des Betätigungsgliedes bzw* für die jeweils geforderte Stellung dieses Betätigungsgiiedes. Dieses Betätigungsglied strebt dabei einen der geforderten Stellung entsprechenden statischen Ausgleichszustand an.

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Im Unterschied dazu kann das Servosteuersystem auch ein -."","_ geschwindigkeitsempfindliches System sein, bei: dem^; das/-.-...-:"-Rückkopplungssignal und das Anfοrderungssignal charak- ^;i teristisch sind für die jeweilige tatsächliche Bewegungs- ; geschwindigkeit bzw. für die jeweils geforderte Be--.. _; ': Wegungsgeschwindigkeit des Betätigungsgliedes. Dieses ,-■","-'.-Betätigungsglied strebt dabei einen dynamischen Aus- .-gleichszustand an, der der geforderten Betriebsgeschwindigkeit entspricht. . . _; ^:

fe In dem Fall, daß das Servosteuersystem ein geschwindigkeitsempfindliches System ist, wird das Rückkopplungs- ."--".■' signal im allgemeinen durch einen geschwindigkeits- : empfindlichen Wandler, wie einen Drehzahlgeber, erzeugt. Dieser Drehzahlgeber ist dabei mechanisch mit dem Be- — " tätigungsglied gekoppelt; er gibt ein Signal ab, das -_ ..";."-charakteristisch ist für die jeweilige Arbeitsgeschwindigkeit des Betätigungsgliedes. -_;

Bei einer derartigen Anordnung besitzt die mechanische Kopplung zwischen dem Betätdgungsglied und dem V/andler eine endliche Auslenkung; die betreffende Kopplung vermag dabei in Resonanz bei einer Frequenz zu gelangen, die ,von P den mechanischen Eigenschaften des Systems abhängt« Eine derartige mechanische Resonanz ruft eine entsprechende ' Resonanzkomponente' im Ausgangssignal des Wandlers hervor. Das Servosteuersystem spricht selbstverständlich auf diese unerwünschte Komponente ebenso "wie auf die Rückkopplungs- ' komponente an. Dadurch wird der Betrieb des Systems gestört,

Da in einem derartigen Servosteuersystem eine geschlossene Regelschleife vorhanden ist, ist zufolge der dabei wirk- samen Rückkopplung die Auswirkung einer Resonanz/stärker als bei einem Servosteuersystem mit offener Regeischleifey;

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durch das ein Betätigungsglied in demselben Ausmaß eingestellt wird. Eine Versteifung oder geeignete Dämpfung der mechanischen Kopplung, zum Beispiel in der Weise, daß der Wandler so dicht wie möglich bei dem Betätigungsglied angeordnet wird, kann das Auftreten der Resonanz zwar nicht eliminieren, jedoch die Resonanzamplitude verringern bzw. die Resonanzfrequenz verschieben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,, die den bisher bekannten ServoSteuersystemen anhaftenden Nachteile zu vermeiden und ein einfach aufgebautes Servosteuersystem zu schaffen. Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Servosteuersystem der einfangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß eine Filteranordnung vorgesehen ist, die das Rückkopplungssignal aus zwei Teilsignalen bildet, die charakteristisch sind für die tatsächliche Einstellung des Betätigungsgliedes und die von einem direkt mit dem Betätigungsglied gekoppelten Wandler und von dem Betätigungsglied selbst abgenommen sind, und daß die FiIteranordnung derart ausgelegt ist, daß das von dem Betätigungsglied abgenommene Teilsignal einen größeren Signalanteil innerhalb der Frequenzbereiche umfaßt, in denen mechanische Resonanzen, in dem System auftreten, und daß das von dem Wandler abgenommene Teilsignal einen größeren Signalanteil innerhalb der Frequenzbereiche umfaßt, die frei von mechanischen Resonanzen sind.

Vorzugsweise werden die Teilsignale derart ,kombiniert, daß sie bei der Resonanzfrequenz nahezu komplementär zueinander sind und damit das resultierende Rückkopplungssignal nahezu frei von Resonanzanteilen ist.

Innerhalb von Frequenzbereichen, in denen mechanische Resonanzen auftreten, werden vorzugsweise Teilsignale

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solcher Amplituden kombiniert, die den T rägli ext skr aft en . des Betätigungsgliedes und des Wandlers entsprechen. ^·

Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter dem Aus-.;'..·'---'", druck Trägheits- oder Beharrungskraft des Wandlers ; dessen wirksame Trägheits- oder: Beharrungskraft yer- -./: standen. Der Wandler ist dabei indirekt und nicht direkt/ mit dem Betätigungsglied gekoppelt, z.B. über ein ge-: ' eignetes Zahnradgetriebe. ·

In dem Fall, daß das Servo steuersystem ein geschwindig- ""-.■:- keitsempfindliches elektrisches System ist,kann das Betätigungsglied einen Elektromotor enthalten^ Das von, dem Betätigungsglied abgenommene Teilsignal ist durch ■ die Gegen-EMK des Motors gebildet oder von dieser abgeleitet. Üblicherweise wird ein weiteres, für die Drehge- ; schwindigkeit des Motors charakteristisches Signal von ; ^; einem Drehzahlgeber oder einer entsprechenden Einrichtung abgenommen, die mechanisch mit dem Motor gekoppelt ist und sich mit diesem bewegt. ■ :.;.-.

Das Rückkopplungssignal ist vorzugsweise vollständig_:. ^^:"- ' · durch das Teilsignal des Drehzahlgebers in den Frequenz-, bereichen gebildet, in denen keine mechanische Resonanzen auftreten. -.."..-'" _; ■ .. .."-'■■'·;■·"'."■/■

In dem Fall, daß das Servosteuersystem^:ein/elektrisches^; System ist, können die Teilsignale mittels einer Summier-' ■schaltung zusymmengefaßt werden, die geeignet bemessene Widerstände enthält. . ^: . --"7"^:\ϊ.'^ν

Um den erforderlichen Ausgleich der Teilsignäle in d^?era ' Rückkopplungssignal zu erzielen, das dem Quellen-Eingang zugeführt wird, enthält die Filteranortoüng Vorzugsweise.

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Bandpass- und Banddämpfungsfilter, über die die Teil- .-signale von dem Betätigungsglied bzw. von dem Wandler geleitet werden.

In dem Fall, daß eine mechanische Resonanz innerhalb eines einzigen Frequenzbereiches auftritt, wird das Bandpassfilter so ausgelegt, daß sein Übertragungsbereich innerhalb des betreffenden Frequenzbereiches liegt, der die mechanische Resonanz umfaßt. Das Filter bewirkt außerhalb seines Übertragungsbereiches eine nennenswerte Dämpfung. Das Frequenzband-Dämpfungsfilter ist in entsprechender Weise so ausgelegt, ,daß sein Dämpfungsbe-· reich ebenfalls innerhalb des Resonanzfrequenzbereiches liegt.

In dem Fall, daß eine mechanische Resonanz in einer Anzahl von Frequenzbereichen auftritt, müssen die betreffenden Filter selbstverständlich entsprechende Übertragungseigenschaften und mehr als einen entsprechenden Durchlaß- und Dämpfungsbereieh besitzen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher'erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuersystems gemäß der Erfindung.

Fig. 2a und 2b veranschaulichen die Übertragungseigenschaf ten von bei der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Filtern.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Elektromotor 2, der von einem einstellbaren Ausgangsverstärker■4 her gespeist wird. Der Motor 2 treibt über eine Verbindungswelle 10 einen Drehzahlgeber 6. Eine Verlängerung 8 der Motorwelle treibt eine Last 12 unter der Steuerung _

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des Systems. Vom Ausgang des Drehzahlgebers 6 wird'ein Signal abgegeben, das charakteristisch für die Drehgeschwindigkeit des Motors 2 ist-

Der Motor 2 ist ferner derart in dem System angeordnet, ; daß er einen Arm einer Brückenschaltung^bildet, deren übrige Arme durch Widerstände RI2 und R14- und durch eine Impedanz R16 gebildet sind. Das zwischen dem Verbindungspunkt des einen Motorendes und der Impedanz R'16 und dem Verbindungspunkt der Widerstände R12 und R14- abnehmbare ^ Ausgangssignal der Brückenschaltung enthält die Gegen-EMK des Motors 2. Ferner ist dieses Ausgangssignal charakteristisch für'die Drehgeschwindigkeit- des Motors.

Das von dem Drehzahlgeber abgegebene Ausgangssignal ' · wird über ein Banddämpfungsfilter 20 mit der aus Fig.2a . ersichtlichen Übertragungskennlinie geleitet. Dieses Filter 20 ist so angeordnet,, daß es das Aüsgangssignal des Drehzahlgebers über denjenigen.Frequenzbereich be— ^; dämpft, in dem mechanische Resonanzen in dem System auftreten, das unter anderem den Motor 2, den Drehzahlgeber 6 und die Verbindungswellen 8 und 10 umfaßt. Die mechanische Resonanzkomponente in dem Ausgangssignal " des Drehzahlgebers 6 ruft einen-störenden Betrieb des Servosysteins hervor. Die Übertragungseigenschaften des _; Filters 20 sind demgemäß so gewählt,., daß ein Minimum dieser Resonanzkomponente zum Eingang des Verstärkers Ψ hin gelangt. Um den in dem Filter 20 innerhalb des .;. Resonanzfrequenzbereichs auftretenden Verlust des Drehgeschwindigkeit s-Signals zu kompensieren, wird das Geschwindigkeit s -Signal von dem Motor 2 über ein Baiidpass-. filter 22 übertragen, das die aus Fig. 2b ersichtliche Übertragungskennlinie besitzt. Dadurch kann das Geschwindigkeits-Signal von dem Motor 2 lediglich innerhalb

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des Dämpfungsbereichs des !Filters 22 zu dem Verstärker 4- hin gelangen. Dabei erfolgt außerhalb des Resonanzfrequenzbereiches eine erhebliche Signaldämpfung. . " ■ "■;■'-

Die über die Filter 20 und 22 übertragenen Teilsignale werden in einem Summiernetzwerk zusammengefaßt, das zwei Widerstände R26 und R28 umfaßt.. Dadurch, wird dem Eingang des Verstärkers K- ein Gesaint-Rückkopplungscignal zugeführt, das charakteristisch für die Drehgeschwindigkeit des Motors 2 ist und das frei von unerwünschten Komponenten ist, die durch mechanische Resonanz hervorgerufen werden. Zur Erzeugung eines derartigen charakteristischen Rückkopplungssignals sind die Ausgangssignale der Filter 20 und 22 so bemessen, daß. sie dem Verhältnis der Beharrungskräfte" des Drehzahlgebers 6 und des Motors 2 entsprechen. Dies wird in zweckmäßiger Weise dadurch erreicht, daß die Q-Werte der Filter diesem Verhältnis entsprechend gewählt sind.

Um jede Unterbrechung des RüekkoppTuhgssignals in dem frequenzempfindlichen Bereich des Servosystems zu verhindern und insbesondere in dem Frequenzbereich, in dem mechanische Resonanzen auftreten können, sind die Abfallschrägen der Filter 20 und 22 so gewählt, daß sie nicht übermäßig steil sind. Dadurch ist die Anpassung und Überlappung der Ansprechverhalten zwecks Erzielung eines nahezu linearen Gesamt-Ansprechverhaltens nicht zu kritisch; dieses Ansprechverhalten-kann ziemlich einfach erreicht werden. In diesem Zusammenhang hat sieh ein Q-Wert- von 10 als geeignet herausgestellt.

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Das für die geforderte. Drehgeschwindigkeit des Motors 2 · charakteristische Anforderungssignal wird dem Verstärker 4-über einen Widerstand 30 zugeführt. Das Anforderungssignal wirkt dabei entgegen dem Rückkopplungssignal, wodurch ein^ Fehlersignal erzeugt wird, das dem Verstärker eingang zugeführt wird. Das Anforderungssignal wird von einer Anforderungseinrichtung 32 abgegeben, wie einem Drehzahlgeber oder einem geeignet gespeisten Potentiometer, das vorzugsweise mechanisch in einer Mittelstellung vorgespannt ist und in dieser Stellung ein Null-Ausgangs signal abgibt.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß das beschriebene-System ein-geschwindigkeitsempfindliches Servosystem ist, bei dem ein dynamischer Ausgleichszustand-erzielt wird, wenn das Fehlersignal auf Null herabgesetzt ist. In-gleicher Weise ist das erfindungsgemäße System jedoch auch in dem 3?all anwendbar, daß ein Geschwindigkeits-Sighal -dazu herangezogen wird,^; ein stellungsempfindliches System zu ^: .stabilisieren. Die Erfindung ist ferner bei nicht-elektrischen Servosteuersystemen, wie bei hydraulischen Servo— Steuersystemen, anwendbar. ~'^:- "■■;■■ - - ■ ^: --

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Claims

a te η t a ns ρ r ü c h e

Servosteuersystem mit einem Betätigungsglied, das von einer Quelle gespeist ist,, die auf ein Anforderungssignal und auf ein Rückkopplungssignal· hin das Betätigungsglied ansteuert_r wobei das Anforderungssignal für die jeweils geforderte Einstellung des Betätigungsgliedes charakteristisch ist und das'Rückkopplungssignal für die jeweilige tatsächliche Einstellung des Betätigungsgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß eine leiteranordnung (20,22) vorgesehen ist, die das Rückkopplungssignal aus zwei Teilsignalen bildet, die charakteristisch sind für die tatsächliche Einstellung des Betätigungsgliedes (2) und die von einem direkt mit dem Betätigungsglied (2) gekoppelten Wandler (6) und von dem Betätigungsglied (2) selbst abgenommen sind, und daß die Filteranordnung (20,22) derart ausgelegt ist, daß das von dem Betätigungsglied (2) abgenommene leiisignal einen größeren Signalanteil innerhalb der Frequenzbereiche umfaßt, in denen mechanische Resonanzen in dem System auftreten, und daß das von dem Wandler abgenommene Teilsignal einen.größeren Signalanteil· innerhaib der Frequenzbereiche umfaßt, die frei von mechanischen Resonanzen sind.

Servosteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Teiisignale derart zusammengefaßt sind, daß sie bei der jeweiligen Resonanz nahezu komplementär zueinander sind und. das sich ergebende Rückkopplungssignal nahezu frei von Resonanzanteilen ist.

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J. Servo steuersystem nach Anspruch. Λ oder 2,dadurch : gekennzeichnet, daß innerhalb der Frequenzbereiche, χ' in denen mechanische Resonanzen auftreten, die Teilsignale mit relativen Amplituden zusammengefaßt sindf_r. die dem Verhältnis der Trägheitskräfte des Betäti- ^;' gungsgliedes (.2) und des Wandlers (6) entsprechen.

4-, Servosteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein geschwindigkeitsempfindliches elektrisches System ist, bei dem das Betätigungsglied ein Elektromotor (2) ist, dessen Gegen-EflK das eine Teilsignal darstellt bzw. zur Ab-• gäbe des betreffenden Teilsignäles dient, -

5. Servo steuersystem nach Anspruch 4-, dadurch gekenn*- zeichnet, daß der Wandler (6) eine vorzugsweise durch einen Drehzahlgeber (6) gebildete geschwindigkeitsempfindliche Anordnung enthält, die mechanisch mit dem Motor (2) gekoppelt ist und sich mit diesem bewegt.

6. Servos"t_euersystem nach Anspruch 5» dadurch zeichnet, daß das Rückkopplungssignal vollständig durch das Teilsignal des Drehzahlgebers (6). in den.Frequenzbereichen gebildet ist, die frei von mechanischen, Resonanzen sind. ^:: .. '■-;.".

7. Servost.euersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,_; dadurch gekennzeichnet, daß es ein elektrisches System ist, bei dem eine entsprechend bemessene Widerstände (R26,R28) enthaltende Summiersehaltung. die signale zusammenfaßt. _: ■■ - .

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