DE2207677A1

DE2207677A1 - Steuerungs und Regelungsvorrichtung fur ein bewegliches Stellglied

Info

Publication number: DE2207677A1
Application number: DE19722207677
Authority: DE
Inventors: Nobuo Ono Takehiko Fuchu Taguchi (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1971-02-18
Filing date: 1972-02-18
Publication date: 1972-08-31
Also published as: IT949134B; JPS5218355B1; US3777243A; DE2207677B2; GB1377432A

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH-GERDMÜLLER· D.GROSSE

- bh - ■ 1?.2.1'"^;2

L-

■ )bouerun"S-und riegel im svorrichtung für ein bev/efliches 3te lrlied

Diese Ti. i'-'indung befaßt sich mi' einem oteuerungs-und Regelungssystem für das f;instellen oder das Positionieren eines beweglichen Kon^!-truktionselementes oder Ste lgliedes. Sie befaßt sich insbesondere aber mit einem i>teuerungs-und Regn ungssystom, mit dem das vorerwähnte bewegliche Konstruktionselement oder Stell-•lifd schnell und genau ii Position gebracht werden kann.

Das bewegliche Konstruktionselement oder stellglied kann ein Teil einer Maschine sein, Manipulator zum Manipulieren eines l/erkstückes, es kann aber auch ein Teil einer Werkzeugmaschine sein. Für gewöhnlich v.ird zur;: Verstellen oder zum Bewegen des beweglichen Konstruktionselement.es oder dos Stellgliedes ein elektrohydraulisches Stellmotorsystem verwendet. Ist darüber hinaus eine schnelle und genaue Positionierung des beweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes erforderlich, dann mußte bisher ein elektrohydraulisches System mit einem genauen und teueren Steuerventil, das die elektrischen Steuerungssignale in Durchflu mengen einer Hydraulikflüssigkeit umsetzt, verwendet werden. Darüber hinaus war es auch erforderlich, eine Hydra likflüssigkeit mit einem guten Temperaturändorunp-;sverhalten zu verwenden. Es hat sich jedoch als unmöglich herausgestellt, daß die Drifterscheinungen im Hydrauliksystem vollständig zum Verschwinden gebracht werden können. Das aber brdnutet, daß eine Störgröße in das Hydrauliksystem eingeschleppt wird und dort

BAQ ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W. H EMM ER ICH · GERD MÜLLER - D. GROSSE

- bh -

- «2 I

eine Störung hervorruft, die im System eine stetige Abweichung herbeiführen körnte.

Wirtschaftliche Grund- , Platzbedarf und dergleichen machen es wünschenswert, relativ kleine und billige Steuerventile oder Servoventile zu verwenden, um im Ansprechen auf das elektrische System eine Verstellung oder Bewegung des beweglichen Konstruktionselementes oder Stellgliedes herbeiführen zu können. Bei solchen Positionierungsystemen, dit mit kleinen unrl billigen Steuerventilen oder Servoventilen und anderen Bauelementen arbeiten, kann der Verstärkungsfaktor des elektrohydraulischen Systems nicht groß sein. Darüber hinaus kann die Genauigkeit des elektrohydraulischen Systems verringert werdn, so daß eine Neigung zur Erhöhung der Zeitkonstante des elektrohydraulischen Steuerung-und Regelungssystemes gegeben sein könnte.

Um eine genaue Positionierung des beweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes zu erzielen, muß die Verstärkung des Regelkreises so groß wie möglich gemacht werden, und zwar so lange das System stabil ist. Weil der Verstärkungsfaktor des elektrohydraulischen Systemes für gewöhnlich klein ist, muß der zu diesem System gehörende elektrische Regler einen großen Verstärkungsfaktor haben. Das Integralverhalten oder das Verzögerungsverhalten des elektrischen Reglers findet Verwendung, um die stetige Abweichung,, die durch die Stj^ögrößendrift im elektrohydraulischen System verursacht wird, beträchtlich zu verringern. Bei derartigen Anordnungen oder Systemen, in denen der Regler ein Integrationsverhalten hat, kommt es insbesondere im Bereich der unteren Frequenzen zu einer

BAD ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F .W . H E M M E R ICH · G E R D M Ü L L E R · D . G R O SSE - bh -

12.2.1972

Phasennacheilunp- oder zu einer Phasenverschiebung und darüber hinaus auch noch zu einem Überschwingen beim Steuern und Regeln des beweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes. Die Phasenverschiebung oder die Phasennacheilung verursacht wiederum eine Verlangst ung der Positionierungssteuerung, während durch das Ü" erschwingen die Genauigkeit der Einstellung des eweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes verringert wird.

Ziel dieser Erfindung ist deshalb die Schaffung eines Steuerungs-und Regolun ssy temes r-um liin.rr.ellen oder Positionieren eino beweglichen Iv nsiruktionselementes oder Gte lgliedjs, das in der Lage ist den Ein.tellvorr:ang .'chnell und genau zu vollziehen, -./obei die vorerwähnten Nachteile beträchtlich verringert oder sogar vermieden werden.

Zu der Positionierungsstenerung oder Positionierungsret elun_;· für ein bewegliches Eons^: ruktionselem-nt ο :er für ein Stellglied gehören im Rahmen dieser Erfindung: ein Komparator, der derart konstruiert it, daß er zwei Signale empfangen un- miteinander vergleichen kann, und zwar ein Signal, welches der gewünschten Position "es beweglichen Konstruktionselemont.es entspricht, und ein Signal, v.-elches der tatsächlichen Position des vorerwähnten b. v.-eglichen Konstruktionseleiaentes oder Stellgliedes entspricht, um ~ hli-ßlich daraus ein Abweichun-ssignal zu erzeugen; eine elektrohydraulisch« Vorrichtung zum J-ewegon des beweglichen Kon.?truktionselementes oder des Stellgliedes; ein Regler, d-r derart kon. truiert und ausgelegt ist, daß von ihm das vorerwähnte Abvei-

BAD ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER ■ D GROSSE -Wl-

12.2.1972

- JT -

chungssignal empfangen wird, woraufhin dann der Regler im Ansprechen auf dieses Abweichungssignal steuernd und regelnd auf die elektrohydraulische Stellvorrichtung einwirkt; schließlich auch noch eine Detektorschaltung zum Vergleichen des Abweichungssignales mit einem Schwellwertsignal und zur Erhöhung der Verzögerungseigenschaften des Reglers, und zwar dann, wenn das Abweichungssignal kleiner ist als das Schwellwertsignal.

Zweckdienlich wird der Schwellwert gleich oder größer als die stetige Abweichung des Systems gehalten, und die Detektorschaltung mißt oder bestimmt dann, wenn das Abweichungssignal kleiner ist als der Schwellwert, wodurch wiederum der Regler dazu veranlaßt wird, seine Verzögerungseigenschaften zu erhöhen.

BAD ORKaINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F .W . H E M M E R IC H · G E R D M Ü L L E R · D . G R O SS E _ ^j₁ _

12.2.1972 ■

Diese Krf'indun- ■ v/ird nachstehend nun anhand des in Zoichnunr d-rgesteJ Iten Aur>.rührun^r*^c-.beispieles ( der in Zeichnung dargestoll¹en Ausführun -sbeispiele) näher erläutert. Die Zeichnung z^igt in:-

Fig. 1 Ein schematisches Blockdiagramm ein:r Ausführung des Erfindunrsregf-nstande :..

Fin. 2a Die Ansprech-Kennlinien des mit Fig. 1 wiedergegebenen Systems.

und 2b _v c

Fig. 3 Ein schematisches Blockdiagrar.m einer anderen Ausführung des Erfindungsgegenstandes.

V/ie aus der Zeichnung, insbesondere aber aus Fig. l,zu erkennen ist, steht die allgemeine Hinweiszahl 10 für ein bewegliches Konstruktionselement oder für ein Stellglied. Dieses kann ein Teil einer Werkzeugmaschine sein, desgleichen aber auch ein Teil eines Manipulators, der unter der Kontrolle eines auf den Rep;elkreis aufgeschalteten Signales bewegt oder verfahren v/erden kann.

Ein der tatsächlichen Position des beweglichen Konstruktionselementes oder Stellgliedes entsprechendes Signal

- dies Signal kann elektrischer und mechanischer Art sein

- wird auf einen Detektor 11 geführt, der eir. Signal, und zwar ein elektrisches Signal, erzeugt, das der Ist-Position des Stellgliedes entspricht. Dieses Signal wird dann auf einen reversierbaren Zähler 12 geschaltet. Auf diesen Zähler odor auf dieses Zählwerk wird auch ein der gewünschten Position des b weglichen Elementes oder Stellgliedes entsprechendes Signal - dieses auch in Digitalform - geführt. Dms Zählwerk ist nun derart konstruiert und ausgelegt, daß von ihm die Sollwertimpulse zusammengezählt werfen, die Impulse vom Detektor 11 aber abv/ärtsgezählt wer-

BAD ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F .W . H E M M E R ·Γ Η ■ G E R D M Ü L L E R · D. G R O SSE _ J₃^ -

12.2.1972

den; anders ausgedrückt: die Gollwertim ulr.e werden den: Inhalt des Zählwerkes 12 zugezählt, während die Impulse vom Detektor 11 vom Zählwerk abgezogen werden- Es wird ein Abweichun^rssignal erzeugt,und zwar vom Zählwerk 12. Dieses Abweichun ssirnal hat die For»- A 2 + k_A2 +

? η ο .

A₂2 + + A_n2 . Die Di italleiLungen AO bis An sind

auf die entsprechende Anschlußklermen des Digital-Analog-Umsetzers IJj geführt. Ein Zeichensicnal S des Digital-Auslösesignales vom Z^: hlv/erk 12 v/ird auch auf den Umsetzer oder Wandler 13 geschaltet; an der Aus; :angsklemme des Umsetzers oder Wandlers 13 kann ein Abweichun_: ;ssignal in Analogform entnommen oder abgenommen werden.

Das Ausp;angssinnal des Digital-Analog-Umsetzers oder Digital-Analog-Wandlers 13 v/ird auf einen Verstärker 14 geführt, zu dem der Einp;an^rrswiderstand 15, der eigentliche Verstärker 16 und ein Rückkopplungswiderstand oder Rückführungswiderstand Y] gehören. Das verstärkte Abweichun' ssignal v/ird einem Schaltverstärkersystem 18 aufgeschaltet, zu dem ein Eingangswiderstand 19, ein Verstärker 20 mit großem Verstärkungsfaktor sowie ein Rückkopplungseleleement 21 gehören. Dieses Rückkopplungselement oder Rückführungselement besteht aus einem Widerstand 22, der zu einem Kondensator in Reihe geschaltet ist. Ein normalerweise geöffnetes oder als Schließer ausgeführtes Kontaktpaar 24 ist zum Kondensator parallel geschaltet. Diese Kontakte 24 werden von einem Relais 25 aus betätigt, das im weiteren Verlauf dieser Patentanmeldung noch ausführlich beschrieben wird.

Das Ausgangssignal vom Schalt Verstärkersystem 18 wird wiederum von einem Endverstärker 26 verstärkt und nach Ver-

BAD ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERITH · GERD MÜLLER · D. G ROSSE

- bh 12,2.1^Q72

Stärkung sodann einem elektrohydraulischen Servosystem odor Steuerungssystem 27 zureführt, zu dem ein Servoventil und ein hier nicht wiedergegebener Stellantrieb gehören. Vom Servoventil oder Steuerventil wird das Augangs-r sinrnal des Verstärkers 18 in eine bestimmte Durchflußmenge der Hydraulikflüssigkeit umgesetzt, die von einem Hydraulikflüssigkeitsbehälter 28 aus ~ur Betätigun;:svoi^richtung reführt wird und dann eine Bewegung des bewegHichen Konstruktionselementes oder Stellgliedes 10 herbeiführt.

Uni nun feststellen zu können, ob das Abweichungssignal größer ist als das^/ziwllwertsignal, das in der digitalen Repräsentation drei Steige»ungselementen entspricht, ist eine ODER-Schaltung 29 derart angeordnet, daß sie die Eingangssignale der Ziffernleütungen oder Digitalleitungen A₂ bis A aufzunehmen in der Lage ist. Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 29 wird von einem Verstärker verstärkt und von dort aus auf das Relais 25 geschaltet. Wenn mindestens eines der auf die ODER-Schaltung 29 aufgeschalteten Eingangssignale einen hohen Wert aufweist, dann wird von dieser ODER-Schaltung ein Ausgangssignal erzeugt, das vom Verstärker 30 verstärkt und dann zur Betätigung des Relais 25 verwendet wird. Das Relais 25 bleibt angezogen, wobei dessen Kontakte 24 d <nn geschlossen sind, wenn dasAbweichungssignal größer ist als jenes Signal, welches drei Steigerungseinheiten entspricht.

Anr'enoti.men, das auf das Zählwerk 12 auf geschaltete Signal zeigt an, daß das bewegliches Konstruktionselement 10 um einhundert Steigerunreinheiten -(es handelt sich dabei um eine Bewegung vor. 10 Zentimetern in Vorwärtsrichtung entspricht, wobei eine Steigerungseinheit für einen Killimeter steht) - bewegt oder verfahren werden soll, dann

BAD ORIGINAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W . H EM M E R TH · G E R D M O L LE R · D . G ROSSE

- bh -

I2.2.I972

wird von der ODER-Schaltung 29 ein starkes Ausgangssignal erzeugt, welches das Relais 25 an Spannung legt und zum Anziehen bringt, wodurch wiederum auch die Kontakte 24 geschlossen werden und den Kondensator 23 in den Nebenschluß legen oder überbrücken. Durch die überbrückung des Kondensators 23 wird das Verzögerungeverhalten oder das Integralverhalten des Schnltverst»rkers 18 aufgehoben, so daß sich das Objekt 10 oder das Stell glied 10 mit einer relativ kleintren Zeitverzögerung in die gewünschte Position bewegen kann, als dies der Fall sein würde, wenn durch die Hereinnahme des Kondensators 23 die dann zutreffende Zeitverzögerung oder Zeitkonstante hätte. Nun bewegt sich das bewegliche Konstruktionselement oder das Stellglied Io mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in die gewünschte Position. Entspricht das Abweichungssignal drei Steigerunrseinheiten, dann wird von der ODER-Schaltun · 29 kein Ausgangssignal erzeugt, dann wird das Relais 25 nicht an Spannung gelegt und zum Anziehen gebracht, dann bleiben die Kontakte 25 geöffnet und dann bleibt der Kondensator 23 in der Rückführungsschleife des Verstärkers 20 eingeschaltet, wodurch wiederum die Zeitverzögerung oder die Zeitkonstante des Verstärkers erhöht wird. Wird der Kondersator in den Stromkreis geschaltet, dann ist er wegen .seines vorherigen Kurzschließens nicht aufgeladen, so daß zwischen dem er:·ten Betriebszustand, in dem der Kondensator nicht in den Stromkreis geschaltet war, und dem zweiten Betriebszustand, in dem der Kondensator in den Stromkreis geschaltet ist, eine weiche Umschaltung oder ein weiches Ütergangsverhalten gegeben ist. Während des zweiten Betriebszustandes wird das

BAD 0RK3INAL

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMiRICH · G ^c. RD MÜLLER · D. GROSSE

- bh -

I2.2.I972

bewegliche Konstruktionselement oder das Stellglied 10 in die gewünschte Position bewegt oder gefahren. Der Übergang vom ersten in den zweiten Betriebszustand ist dann gegeben, wenn sich das bewegliche Element oder das Stellglied in der Nähe der gewünschten Position befindet, wobei der weiche Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebszustand ein weiches und stabiles Positionieren des beweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes 10 verursacht. Die .^uvor beschriebene Bewegung des beweglichen Elementes oder des Stellgliedes wird mit Fig. 2a wiedergegeben.

Im zweiten Betriebszustand beeinträchtigt die Zeitverzögerung oder die Zeitkonstante des Verstärkers 18 kaum das Positionieren , weil dieser zv/eite Betriebszustand nur dann Anwendung findet, wenn sich das bewegliche Konstruktionselement oder das Stellglied 10 in der Nähe der gewünschten Position befindet. Das Überschwingen des. beweglichen Elementes oder des Stellgliedes ist im wesentlichen vernachlässigter, v/eil das Verhältnis der Überschwinggröße zur Größe des Steuerungssignales im wesentlichen von den Eigenschaften des System;:; abhängt, weil darüber hinaus der zweite Betriebszustand nur dann Anwendung findet, wenn das Abweichungssignal sehr klein ist.

Wird der gesamte Bewegungsvorgang für das bewegliche Konstruktionselement oder das Stellglied 10 bei in den Stromkreis des Verstärkers 18 geschaltetem Kondensator, d.h. im zweiten Betriebszustand für die Bewegung des beweglichen Elementes oder Stellgliedes, durchgeführt, dann vollzieht sich dieser BewegunrsVorgang in der mit Fig. 2b ger.trichelt wiedergegebenen Kennlinie. Die in Fig. 2b voll ausgezogen wiedergegebene Kennlinie steht für den Fall,

209836/0872

PATENTANWÄLTE F.W. HEMM2RICH ■ G ^c. RD MÜLLER · D. GROSSE

- bh 12.2.1972

daß sich die Bewegung des beweglichen Konstruktionselementes oder des Stellgliedes 10 im ersten Betriebszustand vollzieht. Zu erkennen ist, daß eine stetige Abweichung aufgrund von Störgrößeneinflüssen auf das System zu verzeichnen ist.

Wie nun aus Fig. 3 zu erkennen ist, stehen die allgemeinen Hinweiszahlen 31» 32 und 33 für einen Analogkomparator, einen Abweichunnsdetektor und einen Positionsdetektor, wohingegen die anderen Stromkreis-oder Schaltungselemente bereits aus Fig. 1 bekannt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes werden sowohl das Signal für die gewünschte Position des beweglichen Konstruktionselementes oder Stellgliedes 10 als auch das Signal aus dem Detektor 33t das die tatsächliche Position des beweglichen Elementes anzeigt, in Analogform erzeugt und weitergeleitet. Das Abweichungssignal wird im Komparator 31 aufgebaut. Der Abweichungsdetektor 32 kann in Form eines Schmidt-Triggers oder dergleichen ausgeführt sein.

Es sollte klar sein, daß Änderungen an den Schaltungselementen leicht vorgenommen werden können. So kann beispielsweise der mechanische Kontakt 24 durch einen elektronischen Schalter ersetzt v/erden.

209836/0872

Claims

PATENTANWÄLTE F.W . HEM M ά R ICH · G F.I O M Ü LLE R · D . G R OSSE

·- bh -

I2.2.I972

Patentansprüche:

l.j Steuerungs-und Regelungssystem zum Positionieren ^-' eines beweglichen Konstruktionselementes oder Stellgliedes,

dadurch gekennzeichnet, deß

zu ihm gehören: eine Komparatorvorr^;chtung für das Aufnehmen und das Vergleichen zweier Signale, einmal eines für die tatsächliche Position des beweglichen Elementes oder des Stellgliedes stehenden Si nales und zum anderen eines für die gewünschte Position stehenden Simales, um aus diesen beiden Signalen ein Abweichungssignal aufzubauen; eine elektrohydraulisch^ Vorrichtunr für da~ Bewegen oder das Verfahren den beweglichen Konstruktions elementes oder des Stellgliedes; ein Rer;ler, dor derart konstruiert und ausgelegt i.t, daß er das Abweichunnssignal aufnehmen und im Ansprechen -uf dieses Abweichunr's.-ignal steuern und regeln kann; schließlich auchnoch eine Detektorvo.'-richtun"· (29), die das Abweichungssignal mit einemjf£jj£//wert vernleicht une die Zeitverzögerunn oder die Zeitkonstante des Reglers (18) dann erhöht, wenn das vorerwähnte Abweichun^ssirnal kleiner ist als v/ert oder

209836/0872

- b!) 12.2.X972

it
2. Steue ~ungs-und Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

derjf/mllwert oder dasX/Wllwertsignal gleich oder größer als die stetige Abweichung im System gemacht wird.

5. Steuerungs-und Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

die auf den Komparator geschalteten Signale elektrische Signale in Digitalform sind^ weiterhin zu diesem Komparator ein reversierbares Zählwerk und ein Digitial-Analog-Umsetzer gehören.

4-, Steuerungs-und Regelungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Detektorvorrichtung eine ODER-Schaltung gehört, deren Eingänge auf einige, jedoch nicht auf alle, Ausgänge des reversiurbaren Zählwerkes geschaltet sind.

5. Steuerungs-und Regelungssystem nach irgendeinem der vorerwähnten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß

zu dem Regler ein Schaltverstärker gehört, dessen Rückführungskreis aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht; weiterhin eine Vorrichtung vorgesehen int, die im Ansprechen auf den vorerwähnten Detektor den vorerwähnten Kondensator kurzschließen kann.

6. oteuerungs-und Regelungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

zur vorerwähnten Detektorvorrichtung ein Relais gehört, das von dem Detektor an Spannung gelegt und zum A nziehen gebracht v/ird; dieser; Relais

zwei öffnende und schließende Kontakte zugeordnet sind, die zum Kondenstor im Nebenschluß liegen.

209836/0872