DE2054784A1 - - Google Patents

Description

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 MOnchen 2, Hllblestrafia 20

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen Datum C ti tft-ift

Anwalts-Akte
20

Chandler Evans Tnc_e, West Hartford, Connecticut, U_oSoA<

Digitales Servosystem

Die Erfindung betrifft ein digitales Servosystem, insbesondere ein digitales Proportional-Servosystem mit einem zusätzlichen Integral-Pfad.

Ohne in ihrer Anwendbarkeit darauf beschränkt zu sein, eignet sich die Erfindung besonders gut für rückführungslose Systeme (Systeme mit offener Schleife). Eine Erläuterung eines digitalen rückführungslosen Servosystems irn allgemeinen sowie eine genaue Beschreibung eines Proportional- oder P-Sfceuersystems, bei dem die Erfindung eingesetzt werden kann, findet sich in der deutschen Patentanmeldung P 20 31 280.5, auf deren Offenbarung hier

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ausdrücklich verwiesen sei_e

Eine der Beschränkungen eines Steuer- oder Regelsystems mit reiner P-Wirkung besteht darin, daß notwendig irgendein Restfehler der veränderlichen Regelgröße, also eine Restregelabweichung vorhanden ist. Betrachtet man beispielsweise ein P-Servosystem zum Einstellen eines Brennstoff-

k ventils im Regelsystem der Gasturbine eines Hubschraubers, so zeigt sich, daß die P-Regelung naturgemäß einen Geschwindigkeit sf ehl er bestehen läßt (die Turbinengeschwindigkeit ist die veränderliche Regelgröße), weil die Position, die von der Regelung angestrebt wird, gleich der Regelabweichung multipliziert mit dem Übertragungs- oder Verstärkungsfaktor des Systems ist. Die Größe dieses Restfehlers ist proportional zur Position des Ventiles auf der Abfallkurve der Turbine und ihre Regelung, Während es theoretisch möglich ist, den Verstärkungsgrad des Systems so hoch zu wählen, daß sich annähernd eine gerade Abfallkurve ergibt und dadurch der Restgeschwindigkeitsfehler praktisch beseitigt wird, wird bei einem zu hohen Verstär-

P kungsgrad in der Praxis das Regelsystem instabil. So sind beispielsweise Regelschwingungen des Systems zu erwarten, wenn vorübergehende Laständerungen der Maschine, wie sie durch Windrütteln hervorgerufen werden, zu hoch verstärkt werden.

Eine Normalmethode zum Vermeiden der oben kurz erläuterten Beschränkungen einer P-Regelung besteht darin, zusätzlich eine parallele Integral- oder I-S_chleife vorzusehen. Für sich betrieben, wird ein I-Regelsyst&m entweder ein langsames Ansprechverhalten aufweisen, oder, wenn dieses er—

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höht wird, zum Überschwingen und Pendeln neigen«

Es wurden bereits Servosysteme mit einem I-Pfad vorgeschlagen, die aber hinsichtlich der Schaltungsanordnung zu kompliziert sind und sich als unzuverlässig erwiesen haben₀ Beispielsweise war es bisher nicht möglich, einen I-Pfad zusätzlich zu einer P-Schrittmotorregelung derart vorzusehen, daß ein Teil der P-Regelschaltung im I-Pfad enthalten war.

Die Erfindung vermeidet die oben erläuterten und weitere Nachteile bekannter Systeme und schafft somit ein neues und verbessertes digitales Steuer- oder Regelsystem,,

Gemäß der Erfindung ist ein digitales Servosystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines zur Größe eines Regelabweichungseingangssignals proportionalen Ausgangssignals vorgesehen, bei welchem das proportionale Ausgangssignal durch Gruppen von ünpulsen einer ersten Frequenz gebildet wird. Die Anzahl dieser Proportionalpulssignale wird von einer Zähleinrichtung summiert. Eine Frequenzteilereinrichtung dient zum Erzeugen einer Mehrzahl von Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, die ein aus Proportionalimpulsen gebildetes und aus den Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgewähltes Steuer- oder R_egelsignal erzeugt und an die zu steuernde bzw. zu regelnde Vorrichtung anlegt. Weiterhin ist eine Torschaltungsanordnung vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem in der Zähleinrichtung gespeicherten Zählwert eine Anzahl der Impulse unterschiedlicher Frequenz entsprechend dem Proportionalzählwert

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zur Steuer- oder Regelsignalerzeugungseinrichtung durchschleuste

Das System gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß I-Regelimpulse mit einer Rate, die proportional zu einer durch eine P-R_egelung vorgeschriebenen neuen Position ist, an ein Betätigungsglied angelegt werden, während gleichzeitig an das Betätigungsglied ein Digitalsignal angelegt wird, das proportional zur Größe der Regelabweichung ist. Die P- und I-Signale werden an das Betätigungsglied bis zum Zeitpunkt angeelgt, zu welchem die Regelabweichung auf Null gebracht worden ist. Letzteres geschieht dadurch, daß ein Parameter erneut festgesetzt wird, der in Abhängigkeit von der Position des Betätigungsgliedes einen Zustand herstellt, welcher die Regelgröße auf der richtigen Höhe hält.

Um dies zu realisieren, werden erfindungsgemäß Digitalsignale entsprechend der Regelabweichung seriell in einen Befehlszähler eingegeben« Im Befehlszähler wird die Größe jedes Regelabweichungssignals mit einer Zahl verglichen, die zuvor in einem zweiten oder Positionszähler gespeichert wurde, um die Größe des Signales zu bestimmen, das an das geregelte Betätigungsglied angelegt werden muß, um die Regelabweichung auf Null zu bringen.

Die zum Betätigungsglied gesendeten Regelsignale werden auch zum Positionszähler rückgekoppelt. Demgemäß entspricht die Größe der im Positionszähler gespeicherten Zahl einer neuen Position des Bätfitigungsgliedes und somit der Regelabweichung. Die Position des Betätigungsßliedes, der Zählwert

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des Positionszählers und die Regelabweichung sind beim Gleichgewichtszustand alle gleich. Die !-Wirkung wird dadurch erreicht, daß der Positionszähler oder, genauer gesagt, der in ihm gespeicherte Zählwert zur Steuerung einer logischen Integral-Schaltung verwendet wird· Diese Integral-Schaltung überträgt Impulse zum Betätigungsglied mit einer Rate, die eine Funktion der Zahl im Positionszähler ist· Die Impulse werden dem Betätigungsglied zusätzlich zu den P-Impulsen zugeführt, die er als Ergebnis des Vergleiches der im Befehslzähler und im Positionszähler gespeicherten Zahlen empfängt·

Die Integral-Schaltung gemäß der fcfindung enthält eine Frequensteilerschaltung, die typisch vom Auegang der Quelle der P-Impulse abhängig ist. Die frequenzteilerachaltung liefert eine Mehrzahl von Ausgangesignalen, die in Bezug auf die F-Impul·· geringere Vrequensen haben und in Phaae verschoben sind. Sämtliche Ausgange« signale haben erzwungeneraaaaen eine so geringe Impulsbreite, daß eine Verschachtelung der Uapulae bei den verschiedenen niedrigen Frequenzen ettglioh ist. Die Phasen verschiebung ermöglicht ferner, daß die niederfrequenten Impulse «wischen die P-Impulse verschachtelt werden« Sie integral· logische Schaltungsanordnung enthalt ferner ein· Torachaltungaanordnung, die von dem la Position·- zähler gespeicherten Zählwert abhängig ist, wodurch erreicht wird₉ daß die Frequenz des Signal·· oder der Signale, die zusätzlich zu den P-Impulsen zum Betätigungsglied übertragen werden, der Regelabweichung entspricht·

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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ss zeigern

Pig· 1 ein Punktionablockschaltbild des digitalen Servosystems gemäß der Erfindung, und

Pig· 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines rückführungslosen digitalen Servosysteoa (alt offener Schleife) gemäß der Erfindung·

In Pig« 1 ist dargestellt! wie Bit einem PHBchrittmotor-Servoeystem gemäß der Xrfindung eine I-Wirkung erzielt wird· Ih einen Befehlszähler 10 wird ein der Regelabweichung £ entsprechende· digitale· Signal eingegeben· Die in den Zähler 10 eingegebene Zahl wird in einer Vergleichsetuf· 12 »it der Grüfl· der Zahl verglichen, die in eine« Position·- zähler 14- gespeichert ist· Der Zweck dee Vergleiches besteht darin ι die ZaIiI der Impulse oder Schritte zu beet iam en, die an einen Schrittmotor 16 angelegt werden BiIs-* »enι welcher da· Betätigungsglied oder den geregelten Mechanismus bildet, um die Hegelabweichung in Rahmen der Möglichkeiten des PHBysteei Möglichst weitgehend «u verringern· Das au· de» Vergleich resultierende P-Regelsignal wird über ein euajkierungs-£orglied 20 an den Motor 16 angelegt und außerdem sum Fosltionssähler 14 rückgekoppelt· Vie noch näher erläutert werden wird, wird beim Fehlen eines Regelabweichungseingangesignal· der Positionszähler 14 eine Gleichgewichtsposition einnehmen, bei welcher in ihm typisch Zählwerte vom Wert Null gespeichert sind·

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υie Realisierung der ergänzenden I-Wirkung gemäß der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Größe der Zahl im Positionszähler 14 die Regelabweichung £ darstellt. Die I-Wirkung wird durch die Verwendung der logischen Integralschaltung 18 erreicht, welche ein oder mehrere Ausgangssignale in Form von Impulsen mit Frequenzen erzeugt, die niedriger sind als die Frequenz der von der Vergleichsstufe 1.2 zum Motor 16 übertragenen P-Impulse· Unter Steuerung einer Torschaltungsanordnung, die in ihren Einzelheiten noch genauer beschrieben werden wird, wird dem Schrittmotor 16 über die Tor- oder Summierschaltung 20 ein Ausgangssignal der Integralschaltung zu-geführt, das der im Po sit ions zähl er 14- gespeicherten Zahl entspricht

Unter der Annahme, die veränderliche Regelgröße sei die Geschwindigkeit eines von der Position der Ausgangswelle des Motors 16 abhängigen Mechanismus, werden die vom Positionszähler 14 gezählten P-Impulse der Regelabweichung £, und auch der Position des Motors entsprechen. D_emgemäß werden die niederfrequenten Signale, die von der Integralschaltung 18 als Ergebnis des Zustandes des Positionszählers 14 durchgeschleust werden, eine Funktion der Motorposition sein und somit dem Geschwindigkeitsfehler entsprechen. Die I-Impulse werden den Restfehler des P-Systems beseitigen und dabei im Gleichgewichtszustand einen Fehler Null der Regelgröße (Geschwindigkeit) bewirken.

In Verbindung mit Fig. 2 soll nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem rückführungslosen digitalen Servosystem erläutert werden. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, sei angenommen, daß das

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System gemäß Figo 2 zum Regeln eines Brennstoffventiles einer Gasturbine verwendet wird, welches mit der Ausgangswelle eines Betätigungsgliedes wie des Schrittmotors 16 in Wirkverbindung steht· Betrachtet man die Umgebungsbedingungen der Brennstoffregelung für die Gasturbine eines Hubschraubers, so hat das Regelsystem die Aufgabe, durch Regelung der Brennstoffzufuhr die Turbinengeschwindigkeit unabhängig von Belastungsänderungen auf einer konstanten Höhe zu halten« Das Positionssystem kann insofern als rückführungsfreies Servosystem angesehen werden, als die tatsächliche Position des R_egelelementes " innerhalb des Brennstoffventiles praktisch nicht abgeführt werden kann und die Ventilregelung deshalb die durch eine P-Regelung ausgeführte Vgntilposition künstlich herstellen muß« Der Hauptregelparameter oder die Regelgröße wird die Turbinendrehzahl sein. Das Eingangssignal des Servoregelsystems gemäß IFig. 2 wird ein pulsbreitenmoduliertes Signal sein, das dem wirklichen Drehzahlfehler, also der Regelabweichung entspricht. Im folgenden werden dieses dem Drehzahlfehler entsprechende Signal als Regelabweichungssignal und die Turbinendrehzahl als Regelgröße bezeichnet werden.

| Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung stellt ein durch die Position der Ausgangswelle des Schrittmotors repräsentiertes Positionssignal her, welches der Ventilposition entspricht, wie sie durch eine P-R_egelung vollzogen wurde. Die P-Regelung kann die Regelabweichung nicht vollständig beseitigen. Deshalb enthält das System ein Integral-Glied oder einen I-Pfad zur Gewährleistung einer langfristigen oder Gleichgewichts-Drehzahlkorrektur. Er-

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findungsgemäß enthält also ein P-Schrittmotor-Servosystem einen I-Pfad für eine Geschwindigkeitskorrektur und zur Wiederherstellung einer langfristigen oder Gleichgewichts-Brennstoff zufuhr, die ausreicht, den Drehzahlfehler der Maschine auf Null zu bringen« Betrachtet man nochmals die Umgebung bei der Drehzahlregelung der Gasturbine eines Hubschraubers, die eine isochrone Regelung zu erreichen sucht, so führt jede Laständerung zur Erzeugung eines Regelabweichungssignales. Unter Steuerung des P-Servoteiles des Regelsystems gemäß Fig. 2 wird der Schrittmotor 16 schnell im Rahmen der Fähigkeiten der P-Regelung in eine Position zurückgestellt, bei der der D_rehzahlfehler zu Null wird. Danach wird die logische Integralschaltung gemäß der Erfindung, die ein Signal mit einer der Änderung der Schrittmotorposition entsprechenden Rate erzeugt, die langfristige Brennstoffzufuhr wiederherstellen, welche ausreicht, den Regelabweichungsfehler, der durch die Wahl einer neuen Maschinenbelastung hergestellt wurde, auf Null zu bringen.

Eingangsimpulse, deren Breite der Regelabweichung entspricht, werden als Torsteuersignale an ein UND-Glied 30 angelegt. Ferner werden an das Torglied 30 Impulse einer Rechteckschwingung angelegt, die von einem H_ochfrequenzoszillator 32 erzeugt werden· Die Zahl der vom ToSLied durchgelassenen Ausgangsimpulse des Oszillators 32 wird der Breite des empfangenen, das Torglied 30 auftastenden Eingangsiapulses «ntsprechen. Si·«· durchgeschleusten Impulse, welche eine Regelabweichung oder, genauer gesagt, die Notwendigkeit zur Wiedereinstellung des geregelten Mechanierau· angeben können, werden an einen Fehlerzähl·γ

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angelegt. Der Fehlerzähler 34 kann einen "Aufwärtszähler" mit Paralleleingabe umfassen, beispielsweise einen Binärzähler Modell 8281 der Firma Signetics Corporation mit Parallelβingang· D_er F_ehlerzähler 34 führt, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, die$Funktionen des Befehlszählers 10 und der Vergleichsstufe 12 in Fig. 1 durch.

Die Eingangs- oder Fehlerimpulse werden ferner an einen monostabilen Multivibrator 38 angelegt. Dieser Multivibrator 38 liefert Abtast- und Synchronisierungsimpulse, die ^ zum Fehlerzähler 34 übertragen werden. Die Abtastimpulse ™ des Multivibrators 38 werden auch als das eine Eingangssignal an einen 1-Bit-Speicherkreis angelegt, der einen RST-Multivibratorkreis 40 umfaßt. Wie noch näher beschrieben werden wird, wird der Multivibrator 38 durch die Vorderflanke eines Eingangsimpulses gesetzt·

Die Eingangsimpulse werden ferner an eine Taktschaltung angelegt, die in Kaskade geschaltete monostabile MuItivibratoren 42 und 44 enthält. Der Multivibraotr 42, der als Verzögerungskreis wirkt, wird durch die Rückflanke eines Jeden Eingangaimpulses gesetzt. D_er Taktmult!vibrator 44 wird wiederum durch die Rückflanke der Auegangsimpulse K des Multivibrators 42 gesetzt· D_er Multivibrator 44 liefert also verzögerte Taktimpulse, welche den RßT-Multivibratoren 46 und 48 zugeführt werden, und zwar zu einem Zweckt der nooh erläutert werden wird· Bit RBT-MuItivibrator en 46 und 48 können vom Typ SE 8424 der Firma Signetic· »ein, während da· RßT-yiipflop 40 vom Typ BfS 8824 der Firma Bignet ic a β ein kann«

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Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, werden kurz nach dem Empfang des ersten einer Regelabweichung entsprechenden Eingangsimpulses in einen Aufwärts-Abwärts-Zähler 50 digitale Informationen eingegeben, die sowohl der Regelabweichung als auch der Positionsänderung des Motors 16 gemäß der Ausführung durch die P-Regelung entsprechen. Der Zähler 50 führt die Punktion des Positionszählers 14 in Fig. 1 durch und kann beispielsweise ein Aufwärts-Abwärts-Zähler mit Serieneingabe und beschränkter Kapazität sein, etwa vom Typ SM-180 der Firma Sylvania Electric Products·

Das (negierte) Ausgangssignal Q^ des Multivibrators 46 wird über ein NAND-Glied 52 an den Aufwärts-Zähleingang des Zählers 50 angelegt. Außer an einen ersten Eingang des Torgliedes 52 wird das Ausgangs signal CJL des Multivibrators -4-6 auch an einen ersten Eingang eines NAND-Gliedes 54 angelegt* De^ Ausgang Q^ des Multivibrators 48 ist über eine Torschaltung 49 mit dem "Abwärts"-Zähleingang des Zählers 50 und mit dem ersten Steuereingang einer im ganzen mit 56 bezeichneten logischen Schaltung gekoppelt. Außerdem ist der Q,-Ausgang des M₁₁It!vibrators 48 mit dem anderen Eingang des NAND-Gliedes 52 gekoppelt.

Ein Niederfrequenzoszillator 58 liefert rechteckförmige Impulse, die an einen im ganzen mit 90 bezeichneten Ringzähler angelegt werden, der durch Multivibratorstufen 92, 94 und 96 gebildet wird. Zwei S-fcufen des Zählers 90 sind mit einem NOR-Glied 98 verbunden, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 54 gekoppelt ist. Unter der Annahme, das Ausgangssijlgnal des Oszillators 58 habe

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eine Frequenz von 384 Hz, so haben die an das Torglied ,54 angelegten Impulse die Frequenz 256 Hz. Die an das Torglied 54 angelegten Impulse werden die P-Impulse umfassen, welche in noch zu beschreibender Weise an den Schrittmotor 16 angelegt werden, um die Regelabweichungssignale schnell auf Null zu bringen. Die dritte Stufe des Ringzählers 90 ist mit dem Eingang eines Frequenzteil erkr eis es 78 in der logischen Integralschaltung 18 gekoppelt. Das Eingangssignal der Integralschaltung wird im hier beschriebenen Beispiel eine Frequenz von 128 Hz haben. Die an den Frequenzteilerkreis 78 angelegten Impulse werden in der Phase gegen die an das Torglied 54 angelegten Impulse verschoben»

Wie noch genauer beschrieben werden wird, wird das Torglied 54 durch Anlegen eines Ausgangssignals Q des Multivibrators 46 vom Wert Null auf getastet, wobei die P-Impulse mit 256 Hz durchgelassen werden. Somit werden nach Auftastung des Torgliedes 54 P-Impulse mit 2/3 der Ausgangsfrequenz des Oszillators 58 sowohl an den "Zähl"-Eingang des Zählers 50 als auch über die Summierschaltung 20 an ein Umsetzglied 60 und von dort an den Schrittmotor 15 angelegte Das Umsetzglied 60 ist eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, welche Eingangssignale in ^orm eines Impulszuges in ein Dreiphasen-W_echselstromsignal zum Antreiben des Motors 16 umwandelt»

Es sei bemerkt₉ daß beide Ausgangssignale Q, bzw. CL des RST-MuIt!vibrators 48 über Torglieder 49 bzw. 51 an die logische Schaltung 56 angelegt werden, deren Ausgangssignal ebenfalls dem Umsetzglied 60 zugeführt ist. Wie wei-

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ter unten beschrieben werden wird, enthält die logische Schaltung 56 vier NAND-Glieder, die ein Eingangssignal entsprechend dem Vorzeichen des Regelabweichungssignals (Drehzahlfehler) entweder durchlassen oder invertieren. Das dem Vorzeichen des Fehlers entsprechende Eingangssignal wird durch eine Schaltungsanordnung geliefert, die allgemein bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Die Stufen des Aufwärts-Abwärts-Zählers 50 sind über eine Torschaltungsanordnung, die einen T_eil des F_ehlerzählers 34 bildet, mit entsprechenden Stufen des F_ehlerzählers gekoppelte Ferner sind wenigstens einige Stufen des Zählers 50 mit einer Torschaltungsanordnurg verbunden, die einen Teil der Integralschaltung 18 darstellt. Alle Stufen des Fehlerzählers 34,von denen in der Zeichnung nur vier Stufen dargestellt sind, sind wiederum mit Eingängen des NAND-Gliedes 64 gekoppelte Somit wird der letzte Impuls, welcher den Fehlerzähler 34 füllt, ein Null-Signal des NAITO-Gliedes 64 bewirken, während zu allen anderen Zeiten am Ausgang dieses Torgliedes 64 ein Signal vom Wert "1" erscheint. B_er Ausgang des Torgliedes 64 ist direkt mit dem Setzeingang des RST-Mult!vibrators 46 sot wie mit dem Löscheingang des 1-Bit-Speicherkreises 40 verbunden. Außerdem ist der Ausgang des Torgliedes 64 auch über ein weiteres NAND-Glied 66 mit dem Löscheingang des Multivibrators 46 verbunden. Die Proportional-Schaltung des beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung wird dadurch vervollständigt, daß die Ausgänge Q₂ und §₂ des Kreises 40 mit dem Löscheingang bzw. dem S_etzeingang des RST-Multivibrators 48 zusammengeschaltet sind.

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Der Integralteil, also die Schaltung 18 des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels enthält zusätzlich zum Frequenzteiler 78 NAND-Glieder 70, 72 und 74, 76, deren Steuereingänge, wie schon erwähnt wurde, Jeweils mit Stufen des Zählers 50 verbunden sind» An die anderen Eingänge der Torglieder 70, 72, 74 und 76 werden vom Fr equenzteilerkreis 78 Signale mit unterschiedlichen Frequenzen angelegt. Dieser Frequenzteilerkreis 78, der ein Binärteilerkreis bekannter Art mit bistabilen Multivibrator en und Torgliedern sein kann, dividiert das vom Ringzähler 90 empfangene 128 Hz-Signal ..herunter.

Der Frequenzteiler 78 erzeugt also Binärsignale kleinerer Frequenzen und liefert somit eine Mehrzahl von Ausgangsimpulszügen mit unterschiedlichen Frequenzen. Den Impulsen eines jeden dieser Impulszüge wird durch die Torglieder in der Schaltung 18 eine so kleine Impulsbreite aufgezwungen, daß eine Verschachtelung von Impulsen bei den verschiedenen Ausgangsfrequenzen des Frequenzteilers 78 möglich ist. Wie schon erwähnt wurde, werden alle am Ausgang des Frequenzteilers 78 gelieferten Impulse mit sich ändernden Frequenzen in der Phase gegen die Hin pul se verschoben, welche das Signal umfassen, das dem Torglied 54 zugeführt wird. Dabei können die Ausgangsimpulse der Integralschaltung 18 zwischen Paare von P-Impulsen vom Torglied 54 verschachtelt werden.

In Abhängigkeit von dem im Zähler 50 gespeicherten Augenblickszählwert können eines oder mehrere der Torglieder 70, 72, 74 und 76 aufgetastet (befähigt) werden. Beim Empfang von Inpulszügen vom Frequenzteiler 78 werden die so befähigten Torglieder Impulse zur Summierschaltung

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durchlassen. Die Ausgangsimpulse der logischen Integral schaltung werden ebenso wie die P-Impulse vom Torglied 54- von der Schaltung 20 durchgelassen und an das Umsetzglied 60 angelegte Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die von der I_ntegralschaltung kommenden Impulse nicht an den Zähler 50 angelegt und von diesem summiert werden.

Im Betrieb bewirken an cUn monostabilen Multivibrator 38 angelegte Eingangsimpulse die Erzeugung von Tast- und Synchronisierungsimpulsen, indem sie den Ausgang des Multivibrators 38 kurzzeitig auf Null bringen. Durch Anigen eines Tastimpulses an den Tasteingang ST des P_ehlerzählers 34- wird dieser gelöscht und das Komplement des im Zähler 50 gespeicherten Zählwertes in den Fehlerzähler 34- übertragen. Wie noch erläutert werden wird, wird der Zähler sowohl anfänglich wie auch dann, wenn die Regelabweichung auf Null reduziert worden ist, leer sein. Die Vorderflanke des Eingangsimpulses wird auch das Torglied 30 auftasten, wobei eine Gruppe von Impulsen vom Hochfrequenzoszillator 32 zum Zähleingang C des 3?ehlerzählers 34- gelangte Die Anzahl der Impulse in der Gruppe ₉ die auf Grund der Auf— tastung des Torgliedes 30 zum Zähler 34- gelangt ist, wird der Breite der Eingangsimpulse entsprechen, und diese Impulse werden dem F_ehlerzähler anschließend an die Löschung des Zählers durch einen Tastimpuls zugeführt.

Die durchgeschleusten Impulse werden zum Komplement des im Zähler 50 gespeicherten Zählwertes im .Fehler zähl er 34-addiert. Der Zähler 50 wird anfänglich gelöscht, und somit wird ein der Kapazität des Zählers 50 entsprechendes

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Signal mit den durchgeschleusten Impulsen unmittelbar nach Empfang eines Regelabweichungssignals verglichen. Wie schon erwähnt wurde, bewirkt der letzte der durchgeschleusten Impulse, welcher den Fehl erzähl er 34 füllt, daß das Ausgangs· signal des NAIiD-Gliedes 64 zu Null wird« Wenn also die Summe aus dem Komplement des vom Zähler j?O übertragenen Zählwertes und den vom Torglied 30 durchgelassenen Impulsen den Zähler 34- nicht füllt, wird der Ausgang des Torgliedes 64 im Zustand "1" bleiben, während ein Überlaufen des Zählers 34 bewirkt, daß der Ausgang des NAND-Gliedes t 64· zu Null wird und danach zu seinem statischen Zustand "1" zurückkehrt. Wenn das NAND-Glied 64 eine Null erzeugt, wird der monostabile Multivibrator 40, der durch einen Synchronisierungsimpuls vom Multivibrator 38 gesetzt wird, gelöschte Ferner bewirkt ein Null-Ausgangssignal des NAND-Gliedes 64 die !Löschung des RST-Multivibrators 46_β Wenn der Fehlerzähler 34 überläuft, wird ein zusätzliches NAND-Glied 66 als Invertierglied arbeiten und die Löschung des Multivibrators 46 bewirken.

Ih der oben beschriebenen Weise wird ein Taktimpuls vom Multivibrator 44 kurz nach Verschwinden des Eingangsimpulses erzeugt werden. Die Verzögerung beim Anlegen eines P vom Verzögerungsmultivibrator 44 erzeugten T_aktimpulses genügt für die Vollendung des Betriebes des F_ehlerzählers 34o Die Taktimpulse bewirken die Übertragung der an den Eingängen der RST-Multivibratoren 46 und 48 erscheinenden Information zu den Ausgängen dieser K_reise. Durch den Betrieb der NAND-Glieder 64 und 66 und den Speicherkreis oder Multivibrator 40 erscheint also an den Setz- und Löschklemmen der RST-Multivibratoren 46 und 48 eine stati-

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sehe Information, ^iese statische Information wird nach Erzeugung eines Taktimpulses durch den monostabilen Multivibrator 44 an die richtigen Ausgangsklemmen der MuItivibratoren angelegte

Die an den Eingängen der RST-MuIt!vibratoren 46 und 48 erscheinende Information gibt an, ob der F_ehlerzähler übergelaufen ist, bis zu aeiner Kapazitätsgrenze gezählt hat oder aber nicht durch die Gesamtsumme der durchgeschleusten HJnpulse und des Komplementes der zuvor im Zähler 50 gespeicherten Information gefüllt worden ist. Der Multivibrator 40 "weiß" also, ob der ]?_ehlerzähler 34 gefüllt worden oder übergelaufen ist, da dieser Kreis durch ein am Ausgang des NAND-Gliedes 64 erscheinendes Null-Signal vor-gesetzt worden ist» Mit anderen Worten: Das Ausgangssignal Q₂ des Multivibratorkrexses 40 wird den Wert Null haben, wenn der Zähler 54 bis zu seiner Kapazitätsgrenze gezählt hat oder übergelaufen ist, während am Ausgang Q₂ des Multivibratorkreises 40 ein Null-Signal erscheint, wenn der Zähler 54- nicht bis zu seiner vollen Kapazität gefüllt worden ist«, Der Zustand des Multivibratorkreises 40 wird nach Erzeugung eines T_aktimpulses zum Ausgang des Multivibrators 48 übertragen, wobei das Erscheinen einer Null am Ausgang Q^ dieses Multivibrators 48 besagt, daß der Zähler 54· nicht bis zu seiner Kapazitätsgrenze gezählt hat, was wiederum besagt, daß der Schrittmotor in der "Aufwärts"-Richtung zu verstellen ist· Ähnlich besagt das Erscheinen einer Null am Ausgang Q, des Multivibrators 48, daß der Zähler 54 bis zu seiner Kapazität gezählt hat oder übergelaufen ist, und daß der Motor 16 somit in der "Abwärts"-Richtung weitergeschaltet werden

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muß· Da der Ausgang <jL des RST-Multivibrators 48 mit dem "Abwärts"-Eingang des Zählers 50 gekoppelt ist, bewirkt das Erscheinen eines Nullsignales an diesem Ausgang, daß vom Torglied 54 dem Zähler 50 zugeführte P-Impulse von irgendeinem zuvor hierin gespeicherten Zählwert subtrahiert werden. Das Ausgangssignal GL des Multivibrators

48 wird über das Torglied 49 an ein NAND-Glied 80 in der Verknüpfungsschaltung 56 angelegt und tastet dieses Glied auf ο

Aus weiter unten erläuterten Gründen wird das Torglied

49 ein Signal nur dann zur Verknüpfungsschaltung 56 durchlassen, wenn das Torglied 54 P-I_mpulse zum Motor durchläßt« Durch Auftasten (Befähigen) des Torgliedes 80 kann eine Eingangsvorzeicheninformation in invertierter Form zum Umsetzglied 60 gelangen, was besagt, daß der Motor 16 in der "Abwärts"-Richtung verstellt werden mußβ Die Inversion der Eingangsvorzeiciminformation wird dadurch bewirkt, daß sie der Reihe nach an die NAND-Glieder 82, 80 und 84 in der Schaltung 56 angelegt wird» Das Torglied 86 der Verknüpfungsschaltung 56 wird durch Erscheinen einer Null am Ausgang Q^ des RST-MuI ti vibrators 48 aufgetastet, falls das Torglied 51 durch vom Torglied 54 durchgelassene P-ünpulse aufgetastet wird, und die Eingangsvorzeicheninformation wird serielle durch die Torglieder 86 und 84 durchgelassen und nicht vor dem Anlegen an das Umsetzglied 60 invertiert werden» I_1n Falle einer Null am Ausgang Q, des Multivibrators 48 werden also alle dem Motor 16 zugeführten Hjnpulse diesen in der "Aufwärts"-Richtung weiterschalten·

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Da nur der Ausgang Q. des RST-Multivibrators 46 benutzt wird, wird offensichtlich ein Null-Signal nur dann an die ersten Eingänge der NAND-Glieder 52 und 54 angelegt, wenn der F_ehlerzähler 34 voll ist« Demgemäß wird nur dann das NAND-Glied 64 auf Nullpotential gebracht und somit der RST-MuItivibrator 46 gesetzt, wenn der Motor 16 angehalten werden solle Das E_rscheinen eines Null-Signales am Ausgang ÖL des Multivibrators 46 wird die Torglieder 52 und 54 sperren, wodurch verhindert wird, daß P-I_mpulse vom Ringzähler 90 zum Umsetzglied 60 gelangen. Z_u allen anderen Zeiten, also wenn der F_ehlerzähler J4 entweder noch nicht seine Kapazitätsgrenze erreicht "hat oder übergelaufen ist, erscheint ein "1"-Signal am Ausgang (L des Multivibrators 46, und das Torglied 54 wird aufgetastet. Wie schon erwähnt wurde, bewirkt die Auftastung des Torgliedes 54 das Anlegen von P-H^pulsen an den Zähleingang des Zählers 50 und auch über die Tor- oder Summierschaltung zum Umsetzglied 60_e

Nach Empfang des ersten einer Regelabweichung entsprechenden Eingangsimpulses wird die logische Proportional-Schaltungsanordnung in der oben beschriebenen Weise das Torglied 54 auftasten und die zur Richtungssteuerung dienende Verknüpfungsschaltung 56 derart steuern, daß Impulse vom Ringzähler 90 zum Umsetzglied 60 gelangen« Der Schrittmotor 16 wird schnell in der richtigen Richtung weitergeschaltet, so daß die Regelabweichung zu Null wird, beispielsweise durch Erhöhen oder Drosseln der Brennstoffzufuhr zu einer Gasturbine« Ein der Position bis zu 'welcher der Motor 16 weitergeschaltet worden ist, entsprechendes Signal wird im Zähler 50 gespeichert, B_eim Empfang des

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nächsten Eingangsimpulses wird das Komplement der im Zähler ^O gespeicherten Information über die Position (oder die anfängliche Regelabweichung) mit der neuen oder augenblicklichen Regelabweichung verglichen. Wenn nötig, werden zusätzliche P-Impulse zum U_msetzglied 60 durchgeschleust. In der beschriebenen W_eise wird beim Empfang eines pulsbreitenmodulierten Eingangssignales, das einer Regelabweichung entspricht, durch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung bewirkt, daß der Schrittmotor 16 schnell in eine Position verstellt wird, bei der jede Regelabweichung zu Nu.ll wird.

Damit eine stationäre oder dauerende Jr-ehzahlkorrektur gewährleistet ist, wird die im Aufwärts-Abwärts-Zähler gespeicherte Information über die Ausgangswellenposition des Schrittmotors dazu verwendet, eines oder mehrere der Torglieder 70 bis 76 in der I_ntegral-Verknüpfungsschaltung 18 aufzutasten (zu befähigen), die dadurch dem Umsetzglied 60 Impulse mit einer Rate zuführen, die proportional zur Position des Motors 16 ist. Die resultierenden Ausgangssignale der Schaltung 18 entsprechen somit dem I_ntegral der Proportionalposition. Wie schon erwähnt wurde, wird den Ausgangsimpulsen des Frequenzteilerkreises 78 eine solche Breite aufgezwungen, daß die Impulse bei den verschiedenen Ausgangsfrequenzen de» Frequenzteilers ineinander verschachtelt werden können. Die Integral-Impulse, die der Torschaltung 20 infolge der Auftastung einiger der Torglieder 70 bis 76 von der Integral-Verknüpfungsschaltung zugeführt werden, haben auch einen solchen zeitlichen Abstand, daß die I-Impulse zwischen Paaren von P-Impulsen auftreten.

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Der am Ausgang der Schaltung 20 erscheinende !%pulszug, der aus der Verschachtelung der vom Frequenzteiler 78 erzeugten I-Impulse und der Erzeugung dieser I-Impulse in den Intervallen zwischen Paaren von P-Impulsen resultiert, wird an das Umsetzglied 60 und von dort an den Schrittmotor 16 angelegt. Es ist zu beachten, daß die Verstellung der Ausgangswelle des Motors 16 unter Steuerung der I-Impulse nicht registriert wird, denn die I-Impulse werden nicht an den Zähler 50 angelegt» Der Zähler 50 folgt somit nur der Proportional-Position des Motors, Es ist ferner zu beachten, daß die Verknüpfungsschaltung 56 zur Richtungssteuerung als Ergebnis der Wirkung der Torglieder und 51 nicht die Richtungsinformation beeinflussen kann, die dem Umsetzglied 60 während der Intervalle zugeführt wird, wenn I-Impulse an das Umsetzglied angelegt werden« Dies bedeutet, daß eine Proportional-Vorzeicheninformation, die an den Ausgängen QL und Q, des Multivibrators 48 erzeugt wird, nur dann an die entsprechenden Torglieder 80 bzw. 86 in der Verknüpfungsschaltung 56 angelegt wird, wenn die Torglieder 49 und 51 durch vom Torglied 54 durchgelassene P-Impulse befähigt sind, Dies hat zur Folge, daß die Eingangsvorzeicheninformation zum Umsetzglied 60 in ungeänderter Form während der Intervalle durchgelassen wird, in denen I-Impulse auftreten können. Die I-Impulse schalten den Motor 16 dadurch in der richtigen Richtung weiter, bei der die wirkliche Regelabweichung zu Null wird_e

Da die Rate oder Frequenz, mit der die I-Impulse an den Motor 16 angelegt werden, eine Funktion der summierten Zahl der dem Motor gelieferten Proportional-Zählwerte ist, wird die logische Integralschaltung weiter arbeiten, um

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die Regelabweichung auf Null zu reduzieren, bis der Zählwert im Zähler 50 auf Null reduziert worden ist. Im Betrieb wird also die P-R_egelung schnell die Regelabweichung so weit verschwinden lassen, wie es im Rahmen der Fähigkeiten des P-Systems möglich ist. Da die P-Regelung längs der Abfallinie (droop line) der Maschine und der Regelung arbeiten muß, wird unvermeidbar ein kleiner Restfehler der Regelgröße (Drehzahl) bestehen, wenn die P-Regelung ihre Korrektur vorgenommen hat»

Die ergänzende Integral-Schleife wird dem Motor Impulse mit einer relativ niedrigen Frequenz und mit einer Rate zuführen, die eine Funktion der P_roportional-Position ist, wie sie im Zähler 50 gespeichert ist. Die Integral-Impulse werden den Motor in der richtigen Richtung weiterschalten, um den Restfehler der Drehzahl zu beseitigen» Da die Integral-Bapulse nicht gezählt werden, wird ihre Zufuhr zum Motor 16 zur Folge haben, daß die Proportional-Regelung weiter arbeitet, bis der von der Integral-Regelung gesteuerte Schrittmotor 16 eine neue Gleichgewichts— oder Dauerzustandsposition erreicht, die der Regelabweichung Null entspricht, und auch bis die Zahl im Zähler 50 auf Null reduziert worden ist. Offensichtlich kennt also das Regelsystem gemäß der Erfindung nicht die wirkliche Position der Ausgangswelle des Schrittmotors I6,und es handelt sich um ein reines rückführungsloses Servosystem«

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Claims (1)

1. Pat ent ansprüche

   Digitales Seryosystem mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines zur Größe eines Regelabweichungseingangssignals proportionalen Ausgangssignales, dadurch gekennzeichnet, daß das proportionale Ausgangssignal durch Gruppen von Impulsen einer ersten Frequenz gebildet wird, daß die Anzahl dieser Proportionalimpulssignale von einer Zähleinrichtung summiert wird, daß eine Frequenzteilereinrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl von Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen ist, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die ein aus Proportionalimpulsen gebildetes und aus den Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgaähltes Regelsignal erzeugt und an die zu regelnde Vorrichtung anlegt, und daß eine Torschalitungsanordnung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem in der Zähleinrichtung gespeicherten Zählwert eine Anzahl der Impulse unterschiedlicher Frequenz entsprechend dem Proportionalzählwert zur Regelsignalerzeugungseinrichtung durchschleust«

   2· Servosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom in der Zähleinrichtung gespeicherten Zählwert und von dem der Regelabweichung entsprechenden Signal Signale liefert, die das Vorzeichen des Regelabweichungseingangssignales angeben.

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   - 2Pr -

   3· Servosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum erzeugen einer Mehrzahl von Impulsen mit unterschiedlichen Freqaenzen eine Einrichtung zum Erzeugen von Impulsen mit einer zweiten Frequenz enthält, die kleiner ist als die erste Frequenz, sowie einen Frequenzteilerkreis, der in Abhängigkeit von den Impulsen zweiter Frequenz eine Mehrzahl von pulsierenden Ausgangssigualen mit Frequenzen erzeugt, die kleiner sind als die erste Frequenz, daß die Impulse der zweiten Frequenz in der Phase in Bezug auf die Proportionalimpulse verschoben werden, und daß die Ausgangssignale des Frequenzteilerkreises erzwungene Impulsbreiten haben, die eine V_erschachtelung der Signale bei den verschiedenen Frequenzen ermöglichen.

   4-0 Servosystem nach Anspruch 1, 2 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungsanordnung eine Mehrzahl von Torgliedern enthält, und daß der Steuereingang jedes dieser Torglieder mit entsprechenden Stufen der den Proportionalzählwert summierenden Zähleinrichtung gekoppelt sind₀

   Servosystem nach Anspruch 2, 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Einrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den das Vorzeichen angebenden Signalen Proportional-Richtungssteuersignale für die Regelsignalerzeugungseinrichtung erzeugt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche verhindert, daß die das Vorzeichen angebenden Signale an die Regelsignal erz eugungs einrichtung angelegt werden, wenn dem Betätigungsglied keine Proportionalimpulse zugeführt werden.

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   • γ

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