DE2207677B2 - Regelanordnung zum positionieren eines beweglichen konstruktionselementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselemente« (Stellglied) mit einer Vergleichsvorrichtung für ein vorgegebenes, die gewählte Stellung des Stellgliedes bezeichnendes Führungssignal sowie ein eine Position des Stellgliedes wiedergebendes Istwertsignal, die ein die Regelabweichung darstellendes Abweichungssignal bildet, das nach Verstärkung durch mindestens einen, eine Verzögerungscharakteristik aufweisenden Regelverstärker änderbaren Übertragungsverhaltens einem als hydraulische Servovorrichtung ausgebildeten Stellmotor derart zugeführt wird, daß das Abweichungssignal gegen den Wert Null zurückgeführt wird, wobei das Übertragungsverhalten des Regelverstärkers durch eine Detektorvorrichtung bestimmt wird, welche im Zuge der Bildung der Stellgröße auftretende Signale auf Einhaltung bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Stellwertes überwacht.

Derartige Steueranordnungen werden eingesetzt, wenn auf vorgegebene Steuerkommandos (Führungsgröße) hin eine schnelle und insbesondere genaue Einstellung von Stellgliedern erfolgen soll. Solche Stellglieder können Teile einer Maschine, ein Manipulator zum Halten und Richten eines Werkstückes, oder aber auch ein Teil einer Werkzeugmaschine sein.

Zum einfachen Anfahren gewünschter Positionen kann ein steuerbarer, elektrohydraulischer Stellmotor vorgesehen sein. Wird dagegen eine schnelle und exakte Positionierung des Stellgliedes gewünscht, so lassen sich • Driflerscheinungen im Hydrauliksystem selbst dann nicht vermeiden, wenn aufwendige Steuerventile, eine Hydraulikflüssigkeit mit hoher Temperaturkonstanz verwendet werden oder dergl. Wirtschaftliche Gründe, der Platzbedarf oder dergl. machen es jedoch wünschenswert, relativ kleine und billige Steuer- bzw. Servoventil zu verwenden; es zeigt sich jedoch, daß weder der Verstärkungsfaktor des elektrohydraulischen Systems noch dessen Genauigkeit den Ansprüchen genügen und damit sowohl die Schnelligkeit als auch die Exaktheit der Positionierung zu wünschen übrig lassen.

Um eine exakte Positionierung des Stellgliedes zu erreichen ist die Verstärkung des eingeschlossenen Regelkreises, und zwar so lange das System stabil ist, groß zu halten. Da der Verstärkungsfaktor des elektrohydraulischen Stellmotors üblicher Weise gering ist, wird die Regelstrecke mit einem elektrischen Verstärker ausreichenden Verstärkungsfaktors ausgestattet. Hierbei werden Regelvorrichtung mit Integralverhalten bevorzugt, um die Regelabweichung gering zu halten. Dieses Integral- oder Verzögerungsverhalten des elektrischen Reglers führt aber insbesondere im Bereiche der unteren Frequenzen zu einer Phasenverschiebung und zusätzlich zu einem Überschwingen bei der Einstellung des Stellgliedes. Die Phasenverschiebung wiederum bedingt eine Verringerung der Stellgeschwindigkeit, während das Überschwingen die Einstellgenauigkeit verringert.

Durch die US-PS 32 83 229 ist eine Steueranordnung offenbart, bei der die am Ausgang der Regelvorrichtung anstehende Stellgröße mittels einer Detektorvorrichtung mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis die Verstärkung des Regelverstärkers geändert wird.

Hierbei wird über eine stetig wirksame Regelstrecke die vorgegebene Stellgröße überwacht; als nachteilig erweist es sich hierbei, daß insbesondere bei hohen Stellgeschwindigkeiten unerwünscht hohe Regelabweichungen auftreten können sowie ein Überschwingen der Endlage festgestellt werden kann.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Regelvorrichtung der oben bezeichneten Gattung zu schaffen, die bei relativ geringem Aufwände hohe

Stellgeschwindigkeiten mit geringem Überschwingen und minimaler Regelabweichung vereint.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Detektorvorrichtung das Abweichungssignal zugeführt wird, daß, so lange das Abwcichungssignal den : vorgegebenen Schwellwert einhalt, der Regelverstärker mit einer ersten Verzögerungscharakteristik arbeitet und daß die Detektorvorrichtung beim Überschreiten des vorgegebenen Schwellwertes den Regelverstärker auf eine geringere Verzögerung umschaltet.

Hierdurch wird erreicht, daß bei einer starken Abweichung des Istwert-Signales vom Führungssignal die vorgegebene Position des Stellgliedes mit noher Stellgeschwindigkeit angelaufen wird, während, nachdem das Abweichungssignal den Schwellwert unterschreitet, die verbliebene Abweichung durch Regeln mit bzw. mit erhöhtem Integralverhalten behoben wird.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den der Detektorvorrichtung vorgegebenei. Schwellwert der Regelabweichung entsprechen oder diese überschreiten zu lassen. Vorteilhaft ist es, beim mit einem Rückführungskreis ausgestatteten Regelverstärker gemäß der Erfindung dem Rückführkreis, in Serie geschaltet, einen Widerstand sowie einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorvorrichtung kurzschließbaren Kondensator aufweisen zu lassen.

Weiterhin wurde als vorteilhaft erkannt, der Detektorvorrichtung ein auf dessen Ausgangssignal entsprechendes Relais nachzuordnen, dessen Kontakte dem Kondensator parallel geschaltet sind.

Bei Steueranordnungen mit digital ausgebildeter, parallele Ausgänge aufweisender Vergleichsvorrichtung hat es sich bewährt, die Detektorvorrichtung eine ODER-Schaltung aufweisen zu lassen, deren Eingänge die den Schwellwert unterschreitenden oder aber die den Schwellwert überschreitenden Ausgänge der Vergleiduvorrichtung erfassen. — Bei Steueranordnungen mit analog wirkender Vergleichsvorrichtung für die Führungs- und Regelgröße kann die Detektorvorrichtung als Vergleichsvorrichtung ausgebildet sein.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei:

F i g. 1 das vereinfachte Blockschaltbild einer Regelvorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselementes,

F i g. 2a und 2b das Betriebsverhalten der Regelvorrichtung nach F i g. 1 erläuternde Kennlinie, und

Fig. 3 das Blockdiagramm eines abgeänderten Ausführungsbeispieles einer Regelvorrichtung zum Positionieren eines Konstruktionselementes

In Fig. 1 ist als bewegliches Konstruktionselement ein Stellglied 10 dargestellt. Dieses Stellglied kann ein Teil einer Werkzeugmaschine, eines Manipulators oder dergleichen sein, das unter Steuerung eines dem Regelkreis aufgeschalteten Sollwert-Signales zu bewegen ist. Die jeweilige Lage des Stellgliedes 10 wird mittels eines Detektors 11 ermittelt, der die Lage des Signales als elektrisches oder mechanisches Signal aufnimmt und ein der Lage des Stellgliedes 10 entsprechendes, im Ausführungsbeispiel binär aufgebautes Istwert-Signal abgibt.

Zur Ermittlung der Abweichung ist ein digitales Zählwerk 12 vorgesehen, an dessen summierenden Eingang 1 das Sollwert-Signal angelegt wird, während das Istwert-Signal des Detektors 11 am subtrahierenden Eineane 2 ansteht. Damit bildet das Zählwerk 12 ein binäres n-stelliges Abweichungssignal, das an seinen Ausgängen A₀ bis A_n ansteht Durch Digitalleitungen sind die Ausgänge mit Eingängen eines Digital-Analog-Umsetzers 13 verbunden, dessen Eingang 3 zusätzlich ein das Vorzeichen des Zühlstandes des Zählwerkes 12 darstellendes Signal zugeführt wird. Das am Ausgange des Digital-Analog-Umsetzers 13 anstehende Abweichungssignal wird mittels eines Verstärkers 14 verstärkt, der aus Eingangswiderstana 15, Operationsverstärker 16 und Rückführungswiderstand 17 besteht. Das verstärkte Abweichungssignal wird einem weiteren Verstärker 18 zugeführt, dessen Verstärkungsverhalten änderbar ist: Die Signalspannung wird über einen Vorwiderstand 19 einem Operationsverstärker 20 zugeführt, dessen Verstärkungsverhalten durch eine Rückführungsschaltung 21 bestimmt wird, die aus der Serienschaltung eines Widerstandes 22 mit einem Kondensator 23 besteht. Dem Kondensator 23 ist eih Arbeitskontakt 24 eines Relais 25 parallelgeschaltet, das den Kondensator 23 zu überbrücken vermag. Die am Ausgange des Verstärkers 18 anstehende Spannung wird über einen Endverstärker 26 dem Servoventil eines vom Hydraulikbehälter 28 gespeisten elektro-hydraulischen Servosystems 27 zugeführt, das die hydraulische Betätigungsvorrichtung für das Stellglied 10 aufweist und dessen Stellung korrigiert.

Dem Zählwerk 12 ist eine Vorrichtung nachgeordnet, welche feststellt, ob das am Ausgang des Zählwerkes 12 anstehende Abweichungssignal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Im Ausführungsbeispiel ist dieser Schwellwert zweistellig, und die Ausgänge Ao sowie A\ werden daher von dieser Vorrichtung nicht erfaßt. Die folgenden Ausgänge höheren Stellenwertes, nämlich die Ausgänge A₂ bis A_n sind mit Eingängen einer ODER-Stufe 29 verbunden. Tritt ein mindestens einen dieser Ausgänge /V2 bis A_n aktivierendes Signal auf, so tritt auch am Ausgange der ODER-Stufe 29 ein Signal auf, das, durch den Verstärker 30 verstärkt, das Relais 25 betätigt und mittels seines Arbeitskontaktes 24 den Kondensator 23 kurzschließt. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung sei davon ausgegangen, daß das Stellglied 10 um 10 cm in Vorwärtsrichtung zu verschieben ist und das Zählwerk 12 die Anzahl der zu verschiebenden Millimeter angibt. Wird dementsprechend dem Eingange 1 des Zählwerkes 12 ein Sollwert-Signal aufgeschaltet, welches das Istwert-Signal um 100 überschreitet, so werden die Ausgänge A₂, As und A₆ erregt und bewirken am Ausgange der ODER-Stufe 29 ein Signal, das über den Verstärker 30 das Relais 25 erregt und mittels dessen Arbeitskontakt 24 den Kondensator 23 kurzschließt. Damit ist in der Rückführungsschaltung 21 allein der Widerstand 22 wirksam, so daß das Integralverhalten des Verstärkers 18 aufgehoben wird und das Stellglied 10 mit hoher Stellgeschwindigkeit in Richtung auf die vorgegebene Soll-Position verschoben wird.

Entsprechend der bereits zurückgelegten Verschiebung und damit der Annäherung an die vorgegebene Position sinkt das vom Zählwerk 12 digital abgegebene Abweichungssignal, bis es den vorgegebenen Schwellwert, im Ausführungsbeispiel den Wert 3, erreicht. Hierbei sind nur noch die Ausgänge /\o und A\ des Zählwerkes 12 beaufschlagt, alle Ausgänge höheren Stellwertes, die ja mit der ODER-Stufe 29 verbunden sind, sind freigegeben. Damit entfällt am Ausgange der ODER-Stufe 29 das Schaltsignal, das Relais 25 fällt ab, und sein Arbeitskontakt 24 wird geöffnet. Damit aber wird innerhalb der Rückführungsschaltung 21 der

Kondensator 23 wirksam, so daß die Zeitkonstante des Verstärkers erhöht wird. Der Umschaltvorgang selbst vollzieht sich weich: Während des ersten, wesentlichen Teiles des Stellvorganges war der Kondensator kurzgeschlossen und damit entladen. Direkt nach dem Umschalten bzw. Aufheben des Kurzschlusses ist er weiterhin ladungs- und spannungsfrei, und erst mit zunehmender, in seiner Zeitkonstante durch die Werte des Widerstandes 22 und des Kondensators 23 bestimmter Ladung wird am Kondensator 23 eine Spannung aufgebaut, die in der Rückführungsschaltung 21 zusätzlich wirksam wird.

Diagrammatisch wird das Betriebsverhalten an Hand der F i g. 2 erläutert.

In F i g. 2a ist das Weg-Zeit-Verhalten des Stellgliedes 10 gezeigt, das sich mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ergibt. Wird im Zeitpunkt des Ursprunges der Koordinaten das Sollwert-Signal vom Ursprung auf die Ordinate 4 angehoben, so verläuft der mit der Änderung des Sollwert-Signales eingeleitete Stellvorgang entlang der Kurve 5. Mit der Änderung des Sollwert-Signales und damit Ansteigen des Abweichungssignales werden das Relais 25 erregt und der Kondensator 23 kurzgeschlossen. In diesem ersten Betriebszustande des Verstärkers 18 erfolgt zunächst die Lageänderung des Stellgliedes 10 schnell, und dementsprechend verläuft der Anfang der Kurve 5 steil.

Mit der Annäherung an die Sollposition des Stellgliedes 10 sinkt das Abweichungssignal unter den vorgegebenen Schwellwert, das Relais 25 fällt ab, öffnet seinen Arbeitskontakt 24 und schaltet damit den Verstärker 18 in seinen zweiten Betriebszustand um. Mit weichem, in der Kurve 5 als Knick praktisch nicht erkennbaren Übergang wird damit das Arbeitsverhalten des Verstärkers 18 geändert, und die noch verbleibende Positionskorrektur wird schnell und mit nur geringem Überschwingen bewirkt. Die an sich geringere Stellgeschwindigkeit dieses zweiten Betriebszustandes vermag sich nicht nachteilig auszuwirken, da dieser Betriebszustand erst bei geringen verbliebenen Abweichungen einsetzt. Das Überschwingen des Stellgliedes über die vorbestimmte Position hinaus bleibt im wesentlichen vernachlässigbar, weil bereits die Ausgangsamplitude dieses Schaltzustandes gering ist. Die Betriebsverhalten im ersten und zweiten Schaltungszustand sind an Hand der Fig. 2 erläutert. Ein Bewegungsablauf nach der Kurve 6 ergibt sich, wenn der gesamte Stellvorgang mit kurzgeschlossenem Kondensator 23 durchgeführt ist. Nach anfänglich steilem Anstieg der Kurve flacht diese immer mehr ab, so daß die Stellgeschwindigkeit im Endbereich gering ist und eine stetige Abweichung verbleibt. Wird dagegen der gesamte Bewegungsvorgang des Stellgliedes 10 mit

ίο in die Rückführungsschaltung 21 des Verstärkers 18 wirksamen Kondensator 23 durchgeführt, so ergibt sich das durch die Kurve 7 veranschaulichte Stellverhalten: Bei geringerer anfänglicher Stellgeschwindigkeit entsprechend dem flacheren Anstieg der Kurve 7 aus dem Koordinatenursprung ergibt sich ein relativ starkes Überschwingen und ein langsames, da von größeren Amplituden ausgehendes Einschwingen auf den Positions-Sollwert.

Die Erfindung ist nicht auf das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. In F i g. 3 ist, ebenfalls im Blockschaltbild, eine der F i g. 1 entsprechende Anordnung dargestellt, bei der das Sollwert- sowie das Istwert-Signal in Analogform bewirkt und verarbeitet werden.

Im wesentlichen sind aus der Fig. 1 bekannte Bauelemente in die Fig.3 mit gleicher Bezeichnung übernommen. Der mit dem Stellglied 10 verbundene Detektor 33 bewirkt jedoch ein analoges Istwert-Signal, das im Analog-Komparator 31 mit dem ebenfalls analogen, dem Eingang 8 des Komparator zugeführten Sollwert-Signal verglichen wird. Das durch Subtrahieren erhaltene Abweichungssignal wird in aus F i g. 1 bekannter Weise über die Verstärker 14,18 und 26 dem elektrohydraulischen Servosystem 27 zugeführt. Paral-IeI hierzu wird es einem Abweichungsdetektor 32 zugeleitet, der bspw. als Schmitt-Trigger ausgeführt sein kann und im Falle des Überschreitens eines vorgegebenen Schwellwertes ein Signal abgibt, das mittels des Verstärkers 30 und des Relais 25 die Umschaltung des Verstärkers 18 bewirkt. — In entsprechender Weise können weitere Änderungen vorgenommen sein; bspw. kann der als mechanische Schalter symbolisierte Arbeitskontakt 24 durch einen elektronischen Schalter gebildet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Konstruktionselementes (Stellglied) mit einer Vergleichsvorrichtung für ein vorgegebenes, die gewählte Stellung des Stellgliedes bezeichnendes Führungssignal sowie ein die Position des Stellgliedes wiedergebendes Istwertsignal, die ein die Regelabweichung darstellendes Abweichungssignal bildet, das nach Verstärkung durch mindestens einen, eine Verzögerungscharakteristik aufweisenden Regelverstärker änderbaren Übertragungsverhaltens einem als hydraulische Servovorrichtung ausgebildeten Stellmotor derart zugeführt wird, daß '5 das Abweichungssignal gegen den Wert Null riickgeführt wird, wobei das Übertragungsverhalten des Regelverstärkers durch eine Detektorvorrichtung bestimmt wird, weiche im Zuge der Bildung der Stellgröße auftretende Signale auf Einhaltung bzw. Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes überwacht,dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorvorrichtung (29, 32) das Abweichungssigna! zugeführt wird, daß, so lange das Abweichungssignal den vorgegebenen Schwellwert ein- ²S hält, der Regelverstärker (18) nrt einer ersten Verzögerungscharakteristik arbeitet, und daß die Detektorvorrichtung beim Überschreiten des vorgegebenen Schwellwertes eine ihr nachgeordnete Schaltvorrichtung (25> betätigt, welche den Regelverstärker auf eine geringere Verzögerung umschaltet.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Detektorvorrichtung (29, 32) vorgegebene Schwellwert der Regelabweichung entspricht oder diese überschreitet.

3. Regelvorrichtung, deren Regelverstärker mit einem Rückführkreis ausgestattet ist, nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführkreis in Serie geschaltet einen Widerstand (22) sowie einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorvorrichtung (29,32) kurzschließbaren Kondensator (23) aufweist.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorvorrichtung (29, 32) ein auf dessen Ausgangssignal ansprechendes Relais (25) nachgeordnet ist, dessen Kontakte (24) dem Kondensator (23) parallel geschaltet sind.

5. Regelvorrichtung digital ausgebildeter Vergleichsvorrichtung nach Ansprüchen t bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detekiorvorrichtung eine ODER-Schaltung (29) aufweist, deren Eingänge die den Schwcllwcrt untcrschrcivenden oder den Schwellwert überschreitenden Ausgängen der Vergleichsvorrichtung (12) erfassen.

6. Regelvorrichtung mit analog wirkender Vergleichsvorrichtung für die Führungs- und Regelgröße mich Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtuni; (32) als Vergleichsvorrichtung ausgebildet ist.