DE2349725B2 - Verfahren und Einrichtung zur prediktiven Regelung - Google Patents

Description

a) in zwei Testläufen des jeweils zuvor mit demselben Wert des tatsächlichen Regelfehlervektors gesetzten Modells mit dem einen und dem anderen Stellsignal die ersten as Extremwerte der Regelfehlervektornorm ermittelt, gespeichert und miteinander verglichen werden,

b) das Regelstreckenmodell wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt, kurzzeitig zuerst mit dem Stellsignal beaufschlagt wird, welches in den beiden ersten Testläufen zum größeren Extremwert geführt hat und sodann in einem dritten Testlauf bis zum ersten Erreichen eines Extremwertes der Regelfehlervektornorm mit dem anderen Stellsignal beaufschlagt wird,

c) der im dritten Testlauf ermittelte Extremwert mit dem kleineren Extremwert aus den beiden ersten Testläufen verglichen wird und in dem Falle, daß der beim dritten Testlauf ermittelte Extremwert größer ist, die dem kleineren Extremwert aus den beiden ersten Testläufen zugeordnete Stellgröße, andernfalls die andere Stellgröße für die Regelstrecke ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des ersten Testlaufes das einer schnelleren Veränderung des Regelfehlers (e₀) zugeordnete Stellsignal (u_s) bestimmt wird und für den Fall, daß es bei einem der beiden ersten Testläufe zu dem kleineren Extremwert der Regelfehlervektornorm führt, eine entsprechende Stellgröße für die Regelstrecke ausgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Stellsignals (u_s) unter Berücksichtigung des Vorzeichens der Fehlergröße (sign e„) und/oder mindestens einer ihrer zeitlichen Ableitungen erfolgt.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch

a) ein ausgangsseitig mit den Setzeingängen des Regelstreckenmodells (14) verbundenes Halteglied (13) zur Speicherung der Komponenten (E₀, E₁... E_n) des Regelfehlervektors (E),

b) einen ausgangssei tig mit dem Stelleingang des Regelstreckenmodells (14) verbundenen Schalter (15 a, ISb),

c) einen jedem Komponentenausgang des Regelstreckenmodells (14) zugeordneten Quadrierer (16), ein Summierglied (17) für die Ausgangsspannungen der Quadrierer, dessen Ausgang mit einem Extremwertmelder (19, 20) verbunden ist und wahlweise an den Eingang eines von zwei Speichern (24, 25) schaltbar ist,

d) ein Schrittschaltwerk (23) zur Betätigung des Haltegiiedes (13), des Schalters (15 a, ISb) uud zur Umschaltung des Ausgangssignals des Summiergliedes (17) sowie

e) ein mit dem Ausgangssignal eines Taktgebers (26) oder des Ex'.remwertmelders (19, 20) weiterschaltbares Schrittschaltwerk.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Extremwertmelder aus einem Differenzierglied (19) besteht, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Grenzwertmelders (20) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Abhängigke^;* vom Vorzeichen der Regelfehlergröße (E₀) und/oder vom Vorzeichen mindestens einer ihrer zeitlichen Ableitung betätigbare Umpoleinrichtung (29, 30) für die Ausgangsspannungen des Schalters (15«, 15 b) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter steuerbare Halbleiter vorgesehen sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur prediktiven Regelung mit einem gegenüber der Regelstrecke erheblich schneller reagierenden Regelstreckenmodell und zwei wahlweise aktivierbaren, entgegengesetzt gerichteten konstanten Stellsignalen für Regelstrecke und Regelstreckenmodell.

Anwendungsfälle für derartige Regelverfahren bestehen vor allem dort, wo schwingungsfähige Regelstrecken möglichst zeitoptimal zu regeln sind.

In der Zeitschrift »Proceedings of the Institution of Electrical Engineers«, Bd. 115, Nr. 10, vom Oktober 1968, S. 1568 bis 1576, ist ein derartiges Prediktivregelverfahren vorgeschlagen worden, dessen Strategie darin besteht, den Unterschied zwischen dem Vorzeichen eines dem Regelstreckenmodell vorgegebenen Stellsignals und der nachgebildeten Regelgröße sowie ihrer zeitlichen Ableitungen zu überwachen und sofern durchweg ein Unterschied, zumindest zeitweise, vorhanden ist, die Regelstrecke mit diesem Stellsignal zu beaufschlagen und für den Fall, daß die Vorzeichen von diesem Stcllsignal und dem sämtlicher Ableitungen der Regelgröße übereinstimmen, die Regelstrecke mit dem entgegengesetzt gerichteten Stellsignal zu beaufschlagen. Um bei dieser Methode ein Rattern, d. h. eine praktisch

unendliche Zahl von rasch aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt gerichteten Stellsignalen mit entsprechenden kleinen Überschwingungen der Regelgröße über den vorgegebenen Sollwert zu vermeiden, muß weiterhin eine gezielte Verstimmung zwischen Regelstrecke und Regelstreckenmodell vorgesehen werden. Der Nachteil dieser bekannten Einrichtung ist darin zu sehen, daß die Kriterien zur Ermittlung des richtigen Stellsignals für die Regelstrecke auf relativ komplizierte Weise ermittelt werden müssen und daß vor allem die Anzahl der Verfahrensschritte jeweils an die Ordnung der Regelstrecke anzupassen ist.

Die vorliegende Erfindung stellt sich demgegenüber zur Aufgabe, ein Verfahren zur Ermittlung des richtigen Stellsignals für die Regelstrecke anzugeben, welches mit einem einfacheren Kriterium arbeitet und welches mit denselben Verfahrensschritten universell für Regelstrecken beliebiger Ordnung anwendbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren ao der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch, daß fortlaufend mit dem Regelstreckenmodell jeweils zur Bestimmung einer Regelslreckenstellgröße mit beiden Stellsignalen Testläufe durchgeführt werden und dasjenige Stellsignal zur Ausgäbe einer entsprechenden Stellgröße für die Regelstrecke ausgewählt wird, welches bei den Testläufen zur kleinsten Norm des nachgebildeten Regelfehlervektors geführt hat.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, die Norm, d. h. den Betrag des Regelfehlervektors, welcher definiert ist als der Unterschied zwischen einem vorgegebenen Sollwertvektor und dem Zustandsvektor der Regelgröße, als Gütekriterium heranzuziehen.

Dadurch ist der Vorteil zu erzielen, daß das Kriterium zur Ermittlung des richtigen Stellsignals einfach zu ermitteln ist und daß die Anpassung an Regelstrecken näherer Ordnung ohne großen Aufwand möglich ist.

Da der sich bei Beaufschlagung mit unterschied- *o lieh gerichteten Stellsignalen ergebende Betragsunterschied des Regelfehlervektors besonders stark bei den Extremwerten der Regelfehlervektornorm ausprägt und daher besser erkennbar ist, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß

a) in zwei Testläufen des jeweils zuvor mit demselben Wert des tatsächlichen Regelfehlervektors gesetzten Modells mit dem einen und dem anderen Stellsignal die ersten Extremwerte de:r Regelfehlervektornorm ermittelt, gespeichert und miteinander verglichen werden,

b) das Regelstreckenmodell wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt, kurzzeitig zuerst mit dem Stellsignal beaufschlagt wird, welches in den beiden ersten Testläufen zum größeren Extremwert geführt hat und sodann in einem dritten Testlauf bis zum Erreichen eines Extremwertes der Regelfehlervektornorm mit dem anderen Stellsignal beaufschlagt wird,

c) der im dritten Testlauf ermittelte Extremwert mit dem kleineren Extremwert aus den beiden ersten Testläufen verglichen wird und in dem Falle, daß der beim dritten Testlauf ermittelte Extremwert größer ist, die dem kleineren Extremwert aus den beiden ersten Testläufen zugeordnete Stellgröße, andernfalls die andere Stellgröße für die Regelstrecke ausgegeben wird.

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Für manche Regelstrecken läßt sich unter Beachtung der momentanen Lage des Regelfehlervektors bzw. einer oder mehrerer seiner Komponenten angeben, welches von den zwei zur Verfügung stehenden Stellsignalen das für eine schnelle Beseitigung des Regelfehlers vermutlich günstigere ist. Für diesen Fall kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit das erfindungsgemäße Verfahren abgekürzt werden, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vor Beginn des ersten Testlaufs das einer schnelleren Veränderung des Regelfehlers zugeordnete Stellsignal bestimmt wird, und für den Fall, daß es bei einem der beiden ersten Testläufe zu dem kleineren Extremwert der Regelfehlervektornorm führt, eine entsprechende Stellgröße für die Regelstrecke ausgegeben wird.

Als günstig hat sich in diesem Zusammenhang erwiesen, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bestimmung des Stellsignals unter Berücksichtigung des Vorzeichens der Fehlergröße und/oder mindestens einer ihrer zeitlichen Ableitungen erfolgt.

Eine besonders einfache Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn vorgesehen sind

a) ein ausgangsseitig mit den Setzeingängen des Regelstreckenmodells verbundenes Halteglied zur Speicherung der Komponenten des Regelfehlervektors,

b) ein ausgangsseitig mit dem Stelleingang des Regelstreckenmodells verbundener Schalter,

c) ein jedem Komponentenausgang des Regelstreckenmodells zugeordneter Quadrierer und ein Summierglied für die Ausgangsspannungen der Quadrierer, dessen Ausgangssignal mit einem Extremwertmelder verbunden ist und wahlweise an den Eingang eines von zwei Speichern schaltbar ist,

d) ein Schrittschaltwerk zur Betätigung des Haltegliedes, des Schalters und zur Umschaltung des Ausgangssignals des Summiergliedes sowie

e) ein mit dem Ausgangssignal eines Taktgebers oder des Extremwertmelders weiterschaltbares Schrittschaltwerk.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein komprimiertes Blockschaltbild für eine prediktive Regelung. Als Stellgröße Y der mit 1 bezeichneten Regelstrecke ist entsprechend der Stellung des Schalters 2 entweder die Stellgröße U₁ oder die entgegengesetzt gerichtete Stellgröße U₂ anschaltbar. Für den Fall, daß als Stellglied ein Stellmotor verwendet wäre, würde z. B. die Größe i/, einen Rechtslauf des Verstellmotors mit maximaler Drehzahl und die Größe U₂ einen Linkslauf des Verstellmotors mit maximaler Drehzahl bewirken. Die Betätigung des Schalters 2 erfolgt mit dem Ausgangssignal einer mit 3 bezeichneten Prediktivregeleinrich· tung in der Weise, daß der ihm eingangsseitig zugeführte Fehlervektor E möglichst schnell verschwindet. Der Fehlervektor wird in einem Mischglied 4 gebildet aus der Differenz zwischen dem Zustandsvektor X der Regelgröße und einem vorgegebenen Sollwertvektor W_. Die Komponenten dieser Vektoren

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bilden die entsprechenden Größen und ihre höheren Punkt C zugeordnete Extremum auch das kleinste, zeitlichen Ableitungen, für den Fall einer Wegrege· überhaupt erreichbare Extremum ist, wird ein dritter lung also' den Weg, die Geschwindigkeit, die Be- Testlauf durchgeführt, in dem das Modell eine kurze schleunigung und gegebenenfalls den Ruck. In der Zeit bzw. ein kurzes Stück Δ (u₂) — ebenfalls aus-Prediktivregeleinrichtung 3 ist unter anderem ein mit 5 gehend vom Punkt A — mit dem Stellsignal M₂ bc den Stellgrößen U₁ und U₂ entsprechenden Stell- aufschlagt wird und vom Punkt D an entlang dei Signalen M₁ und M₂ beaufschlagbares Modell der Kreisbahn 8 dann mit dem Stellsignal M₁. Das sich Regelstrecke 1 enthalten. Es sind jedoch sämtliche hierbei ergebende, dem Punkt E zugeordnete Extre-Zeitparameter der Regelstrecke beim Modell um mum ist nun größer als das dem Punkt C zugeordden gleichen Faktor, üblicherweise 100 bis 1000. io nete Extremum, weshalb die dem Stellsignal M₁ entreduziert, sprechende Stellkraft zur Beaufschlagung des Pen-

F i g. 2 zeigt die erfindungsgemäße Auswahl der dels auszugeben wäre. Dieses Auswahlverfahren wird Stellsignale am Beispiel einer Regelstrecke zweiter nun während der Pendelbewegung ständig in schnel-Ordnung in Form eines schwingenden Pendels, wel- ler Folge wiederholt, und bei Vernachlässigung der ches durch Beaufschlagung mit zwei entgegengesetzt 15 Reibung ändert sich offensichtlich bis zum Erreichen wirkenden, konstanten Stellkräften in der mit 0 be- des Punktes C von der Regelstrecke nichts am Erzeichneten Ruhelage stabilisiert werden soll. Da gebnis, d. h., sie würde bis dahin laufend mit der sämtliche Komponenten des Sollwertvektors Null dem Stellsignal M₁ entsprechenden Stellkraft beaufsind, stimmen die Komponenten des Zustandsvektors schlagt sein.

der Regelgröße mit denen des Regelfehlervektors ao Für eine Reihe von Regelstrecken läßt sich mit

überein; sie sind beim Beispiel der Fig. 2 die Aus- einer gewissen Sicherheit schon vor Beginn der bei-

lenkung e₀ eines Pendelmodells 5 sowie dessen jewei- den ersten Testläufe auf Grund des gerade vorliegen-

lige Geschwindigkeit den Regelfehlervektors vermuten, daß ein bestimmtes Stellsignal zu einer kleineren Norm führen wird.

Ue₀ as Hat sich für dieses Stellsignal die Vermutung nach

C\ — -Tj- = e₀ ■ den beiden ersten Testläufen bestätigt, dann kann

es sofort an die Regelstrecke ausgegeben werden, der dritte Testlauf erübrigt sich dann. Falls die zuvor

Zur Darstellung der Auswahlmethode ist die so- erwähnte Prognose möglich ist, dann kann diese genannte Phasenebene benutzt. In Abszissenrichtung 30 nicht erst durch die ersten Extrema bestätigt werden, des in ihr eingezeichneten Koordinatensystems ist die sondern schon vor Erreichen derselben, indem man jeweilige Auslenkung des Pendels und in Ordinaten- das Regelstreckenmodell nur kurzzeitig, also nicht richtung dessen zugeordnete Geschwindigkeit aufge- bis zum Erreichen der Extrema, mit dem einen und tragen. Der einfacheren Darstellung halber sollen dem anderen Stellsignal betreibt und die sich dann Luftreibung und andere Störkräfte vernachlässigt 35 ergebenden Beträge des Regelfehlervektors miteinwerden, so daß nach einer erfolgten Auslenkung des ander vergleicht. Auf diese Weise kann die Laufzeit Pendels die Bewegung desselben ohne Einwirkung des Modells zusätzlich verkürzt und demzufolge das weiterer Kräfte außer der Schwerkraft sich durch gewünschte Stellsignal für die Regelstrecke in noch einen Kreis konstanten Durchmessers um den Ko- schnellerer Folge ausgegeben werden. Allerdings ordinatennullpunkt 0 darstellen läßt, welcher im 40 sind die Unterschiede der Beträge des Regelfehler-Uhrzeigersinn durchlaufen wird. Durch sinnvolles vektors bei unterschiedlichen Stellsignalen bei den Aktivieren von in entgegengesetzter Richtung wir- Extrema wesentlich stärker ausgeprägt und deshalb kenden Stellkräften soll nun der durch die Kompo- besser unterscheidbar als vor Erreichen derselben,
nenten e_g und e_t beschriebene Zustands- bzw. Regel- Nach Passieren der Abszissenachse sollen nur. fehlervektor des Pendels möglichst rasch zum Ver- 45 — beispielsweise ausgehend vom Punkt F — wieschwinden oder mindestens in die Nähe des Koordi- derum zwei Testläufe betrachtet werden, und zwai natennullpunktes 0 gebracht werden. Prinzipiell mög- mit dem Stellsignal M₂ längs des Kreisbogens 9 und Hch wären unter dem Einfluß des Stellsignals H₁ mit dem Stellsignal M₁ längs des Kreisbogens 7. Die modellmäßige Bewegungen auf Kreisen um den hierbei erreichten ersten Extrema liegen bei der Mittelpunkt (—1/0) und unter dem Einfluß der Stell- 50 Punkten H und G. In analoger Weise wird das derr kraft u₂ Bewegungen auf Kreisen um den Mittel- Punkt H zugeordnete kleinere Extremum daraufhir punkt(+l/0). überprüft, ob es wirklich das kleinstmögliche, er

Zu einem bestimmten Zeitpunkt weist der Regel- reichbare Extremum ist, indem ein kleines Stücl

fehlervektor den Zustand A auf. Seme Norm, d. h. Δ (U₁) längs des Kreisbogens 7 mit dem Stellsignal u

sein Betrag, entspricht der Strecke OA. Das schnelle 55 fortgeschritten wird und sodann im Punkt/ das Mo

Pendelmodell wird nun in zwei Testläufen — jeweils dell mit der Stellgröße H₂ noch einmal beaufschlag

ausgehend vom Punkt A — nacheinander mit den wird. Aus diesem dritten Testlauf entlang des Kreis

Stellsignalen U₁ und H₂ beaufschlagt. Ist das Stell- bogens 10 ergibt sich das erste Extremum bein

signal M₂ wirksam, so erfolgt eine Bewegung entlang Punkt K, welches sich als noch kleiner erweist al:

der mit 6 bezeichneten Kreisbahn; das erste Ex- 60 das kleinere Extremum aus den beiden ersten Test

tremum der Norm des Regelfehlervektors tritt bei laufen, nämlich als das dem Punkt H zugeordnet!

Erreichen des Punktes B auf. Sodann wird das Regel- Extremum. Daher wird weiterhin das Pendel durcl

Streckenmodell mit dem Stellsignal U₁ beaufschlagt, die dem Stellsignal U₁ entsprechende Stellkraft beauf

und es erfolgt eine Bewegung längs der Kreisbahn 7 schlagt. Es wird ersichtlich, daß sich bei den nach

mit einem ersten Extremum bei Punkt C. Das dem 65 folgenden Testläufen an diesem Ergebnis so lang! Punkt C zugeordnete Extremum ist nun kleiner als nicht ändert, bis der Kreisbogen 11 erreicht wird das dem Punkt B zugeordnete. Um nun herauszu- Ab dann wird das Auswahlergebnis der Testläuf«

finden, ob — ausgehend vom Punkt A — das dem immer nur das Stellsignal u_z sein, und der Regel

fehlervektor wird auf schnellstmöglichem Wege längs der Kreisbahn 11 zum Nullpunkt 0 gebracht, womit das Regelziel erreicht ist.

Wird bei dem in F i g. 2 dargestellten Beispiel als Stellsignal, welches vermutlich zur kleineren Regelfehlervektornorm führen wird, immer dasjenige angenommen, welches das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist wie die Fehlergröße e₀, dann würde dieses Stellsignal immer auch eine schnellere Änderung der Fehlergröße bewirken. Dieses als sogenanntes >schnelieres« Signal bevorzugte Stellsignal «_s, für welches die Bedingung u_s = — sign e₀ gilt, wäre für den Fall, daß der Regelfehlervektor sich in der rechten Hälfte der Phasenebene befindet, gleich dem Stellsignal M₁ und für den Fall, daß er sich in der linken Hälfte befindet, gleich dem Stellsignal u₂. Es ergeben sich dann im zweiten und vierten Quadranten drei Testläufe, während man im ersten und dritten Quadranten mit zwei Testläufen auskommt. Ist es nicht möglich, ein derartiges bevorzugtes Signal zu bestimmen, so sind immer drei Testläufe erforderlich.

Es ergibt sich somit ein Verlauf des Regelvorganges je nach dem Ausgangspunkt, beim Beispiel der F i g. 2 entsprechend den dem Stellsignal M₁ zugeordneten, stark ausgezogenen und entsprechend den dem Stellsignal M₂ zugeordneten, quer gestrichenen Kreisbögen. Aus der F i g. 2 wird ersichtlich, bei welchen Zuständen des Regelfehlervektors die für die Regelstrecke bestimmte Stellgröße umzuschalten ist.

Dieses Regelverfahren führt jedoch nicht nur bei einem zweidimensionalen Zustandsvektor nahezu zeitoptimal zum Ziel, sondern auch bei einem sich in einem mehrdimensionalen Raum bewegenden Zustands- und bzw. Fehlervektor, wobei weder an der Zahl der Testläufe noch an der Zahl der Verfahrensschritte etwas zu ändern ist.

Fig. 3 zeigt prinzipielle Einzelheiten zur beispielhaften Verwirklichung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Prediktivreglers. Der Zustandsvektor X der Regelstrecke, der bei einem System (n + l)ter Ordnung aus der Regel größe X. und z. B. deren η zeitlichen Ableitungen

dt»

besteht, wird in einem Vergleicher 4 mit den entsprechenden Komponenten W₀ — W_n des Sollwertvektors JE verglichen. Das Ergebnis ist der Regelfehlervektor E mit den Komponenten E₀ — E_n. Diese Komponenten des Regelfehlervekiors £ werden über einen Schalter 12 und ein Halteglied 13 den Setzeingängen eines schnellen Regelstreckenmodells 14 zugeführt. Das Regelstreckenmodell wird eingangsseitig mit der Stellgröße y beaufschlagt, welche je nach Stellung der Schalter 15 β und ISb den Wert Null, den konstanten, einer bestimmten Bewegungsrichtung zugeordneten Wert U₁ oder den der ent gegengesetzten Verstellrichtung zugeordneten Wert M₂ annehmen kann. In der Regel wird es sich hierbei um Spannungen verschiedener Polarität handeln. Entsprechendes gilt für die wahlweise das Stellsignal Y für die Regelstrecke bildenden Spannungen U₁ und t/₂. Aus Ausgang des Regelstreckenmodells 14 erscheint der nachgebildete Regelfehlervektor e, dessen einzelne Komponenten mittels Multiplizierern oder Funktionsbildnern in einer Quadriereinrichtung 16 quadriert werden. Die Quadrate der einzelnen Komponenten werden in einem Summierglied 17 addiert. Das Extremum des am Ausgang des Summiergliedes 17 erscheinenden Betragsquadrats des nachgebildeten Regelfehlervektors e und damit auch das Extremum seines Betrages bzw. seiner Norm wird mittels eines aus einem Differenzierglied 19 und einem Grenzwertmelder 20 bestehenden Extremwertmeiders erfaßt, der jedesmal dann und so lange ein Ausgangssignal gibt, wenn sich das Betragsquadrat des Regelfehlervektors nicht mehr ändert. Der erste nach Beaufschlagung des Regelstreckenmodells 14 mit einer der Stellgrößen M₁ oder M₂ erscheinende Impuls am Ausgang des Grenzwertmelders 20 bewirkt über ein von ihm beeinflußbares Schrittschaltwerk 23, daß der Ausgang des Summiergliedes 17 auf einen der Eingänge der Speicher 24 oder 25 geschaltet und dort abgespeichert wird. Es ist weiterhin

ao eine eingangsseitig mit den Ausgängen der Speicher 24 und 25 verbundene Vergleichseinrichtung 22 vorgesehen, welche ebenfalls die Schrittfolge des Schrittschaltwerkes 23 beeinflußt. Die Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes erfolgt entweder in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Grenzwertmelders 20 oder durch einen Taktgeber 26, welcher seinerseits von bestimmten Ausgangssignalen der einzelnen Schrittstufen Sl bis 516 des Schrittschaltwerkes 23 über ein ODER-Gatter 44 angestoßen wird.

Das Schrittschaltwerk 23 bewirkt nun im einzelnen folgende Schritte:

Schritt 1: Der Schalter 12 wird betätigt, und die Komponenten des Regelfehlervektors £ werden als Startwerte im Halteglied 13 gespeichert.

Schritt 2: Das Regelstreckenmodel! 14 wird mit den im Halteglied 13 gespeicherten Komponenten des Regelfehlervektors gesetzt.

Schritt 3: Der Stellsignaleingang des Modells 14 wird durch Betätigen des Schalters 15 a mit dem Stellsignal M₁ beaufschlagt und der Ausgang des Grenzwertmelders 20 durch Betätigen des Schalters 18 mit dem Schrittschaltwerk 23 verbunden. Die Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes wird dadurch so lange unterbunden, bis der Ausgang des Grenzwertmelders 20 ein erstes Signal abgibt.

Schritt 4: Der dann erreichte Wert der Ausgangsspannung des Summiergliedes 17 wird unter Betätigung des Schalters 21 α im Speicher 24 abgespeichert. Schritt 5: Das Regelstreckenmodell wird wieder auf die im Halteglied 13 gespeicherten Startwerte zurückgesetzt.

Schritt 6: Der Stellsignaleingang des Modells 14 wird durch Betätigen des Schalters 15 6 mit dem Stellsignal M₂ beaufschlagt und der Ausgang des Grenzwertmelders 20 durch Betätigen des Schalters 18 mit dem Schrittschaltwerk 23 verbunden. Die Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes wird dadurch so lange unterbunden, bis der Ausgang des Grenzwertmelders 20 ein erstes Signal abgibt.

Schritt 7: Der dann erreichte Wert der Ausgangsspannung des Summiergliedes 17 wird unter Betätigung des Schalters 21 b im Speicher 25 abgespeichert. Schritt 8: Das Regelstreckenmodell wird wieder auf die im Halteglied 13 gespeicherten Startwerte zurückgesetzt. Ergibt sich, daß der Inhalt des Speichers 24 kleiner als der Inhalt des Speichers 25 ist, folgt sofort Schritt 13. Ist der Inhalt des Speichers 24 größer als der Inhalt des Speichers 25, folgt

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Schritt 9: Das Regelstreckenmodell 14 wird für eine definierte kurze Zeit durch Betätigung des Schalters 15 α mit dem Stellsignal w, beaufschlagt.

Schritt 10: Durch Betätigung des Schalters 15 6 wird der Stelleingang des Regelstreckenmodells 14 mit dem Stellsignal K₂ beaufschlagt und der Ausgang des Grenzwertmelders 20 durch Betätigung des Schalters 18 mit dem Schrittschaltwerk 23 verbunden. Die Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes 23 wird dadurch so lange unterbunden, bis am Ausgang des Grenzwertmelders 20 ein Signal auftritt. Dann folgt

Schritt 11: Der dann erreichte Wert der Ausgangsspannung des Summiergliedes 17 wird unter Betätigung des Schalters 21 α im Speicher 24 abgespeichert. Schritt 12: Ergibt sich, daß der Inhalt des Speichers 24 kleiner als der Inhalt des Speichers 25 ist, wird durch Betätigung des Schalters la die Stellgröße U₁ für die Regelstrecke 1 ausgegeben. Ist der Inhalt des Speichers 24 größer als der Inhalt des Speichers 25, wird durch Betätigung des Schalters 2 b die Stellgröße U₂ für die Regelstrecke 1 ausgegeben.

Schritt 13: Das Regelstreckenmodell 14 wird für eine definierte kurze Zeit durch Betätigung des Schalters 15 b mit dem Stellsignal U₂ beaufschlagt.

Schritt 14: Durch Betätigung des Schalters 15 a wird der Stelleingang des Regelstreckenmodells 14 mit dem Stellsignal U₁ beaufschlagt und der Ausgang des Grenzwertmelders 20 durch Betätigung des Schalters 18 mit dem Schrittschaltwerk 23 verbunden. Die Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes 23 wird dadurch so lange unterbunden, bis am Ausgang des Grenzwertmelders 20 ein Signal auftritt, dann folgt

Schritt 15: Der dann erreichte Wert der Ausgangsspannung des Summiergliedes 17 wird unter Betätigung des Schalters 21 b im Speicher 25 abgespeichert Schritt 16: Ergibt sich, daß der Inhalt des Speichers 24 kleiner als der Inhalt des Speichers 25 ist. wird durch Betätigung des Schalters la die Stellgröße U₁ für die Regelstrecke 1 ausgegeben; ist der Inhalt des Speichei-s 24 größer als der Inhalt des Speichers 25, wird durch Betätigung des Schalters 2 b die Stellgröße U_s für die Regelstrecke 1 ausgegeben.

Nach Beendigung der Schritte 12 bzw. 16, d. h. nach jeder Ausgabe einer Stellgröße für die Regelstrecke 1, wird wieder mit Schritt 1 begonnen.

Die definierte kurze Zeit, mit welcher das Regelstreckenmodell 14 in den Schritten 10 bzw. 14 mit den Stellsignalen M₁ bzw. M₂ beaufschlagt wird, kann beispielsweise mittels einer monostabilen Kippstufe realisiert werden, welche vom Schrittschaltwerk angestoßen wird und ihrerseits die Betätigung des Schalters 15 vornimmt. Anstatt eine definierte kurze Zeit das Regelstreckenmodell von den Stellsignalen U₁ bzw. «, beaufschlagen zu lassen, wäre es äquivalent, mittels einer geeigneten Rechenschaltung während der Schritte 9 bzw. i 3 die Endwerte zu berechnen, welche das Regelstreckenmodell einnehmen würde, falls es — ausgehend von den im Halteglied gespeicherten Startwerten — während der definierten kurzen Zeit mit den Stellsignalen U₁ bzw. «„ beaufschlagt wäre und das Regelstreckenmodell vor Beginn der Schritte 10 bzw. 14 mit diesen Endwerten dann zu setzen.

Kann in der zuvor erwähnten Weise zwischen

einem »schnelleren« Stellsignal h_s und einem »lang sanieren« Stellsignal u_L unterschieden werden, so is «s ⁼ "i und u_L = u₂ zu setzen, und die Schrittfoißi kann abgekürzt werden, indem hp.rpit« hpi Srhritt'

kann abgekürzt werden, indem bereits bei Schritt für den Fall, daß der Inhalt des Speichers 24 kleine ist als der des Speichers 25, die dem Stellsignal U₁ entsprechende Stellgröße U_L an die Regelstrecke: ausgegeben und anschließend mit Schritt 1 wiede begonnen wird. Wenn als Auswahlkriterium fü ίο das Stellsignal u_s die Bezeichnung verwendet win "s= — signe₀, dann sind als weitere schaltungs technische Maßnahmen bei der Anordnung gemäi Fig. 3 nur noch die mit 27, 28, 31 und 32 bezeich neten Schaltbrücken in ihre waagerechte Stellung zi bringen, wodurch unter der Wirkung eines eingangs seitig mit der Regelfehlergröße E₀ beaufschlagtei Grenzwertmelders 29 und eines Umkehrverstärker: 30 die Polarität der den Schalterkontakten 15 a um 15 b zugeordneten Stellsignale U₁ und κ, beim Wech »ο sei des Vorzeichens der Regelfehlergröße jeweils um gepolt werden. Es ist natürlich dafür zu sorgen, dal die Vorzeichen der den Schalterkontakten launall zugeordneten Stellgrößen U_s und U_L stets mit denei der den Kontakten 15 α und 15 b zugeordneten Stell »5 Signalen u_s und u_L übereinstimmen, was für der Fall, daß die Stellgrößen U_s und U_L nicht, wie in dargestellten Beispiel — gegebenenfalls unter ent sprechender Verstärkung — von den Stellsignalen u, und U₁ ableitbar sind, beispielsweise durch eine nich dargestellte Umpoleinrichtung erreicht werden kann welche synchron mit der Umpoleinrichtung 29, 3( arbeitet. Im übrigen ändert sich nichts an der zuvoi aufgeführten Schrittfolge.

Fig. 4 zeigt den näheren Aufbau des in Fig. 2 mit 23 bezeichneten Schrittschaltwerkes mit seinen Klemmen 33 bis 43. Die einzelnen Schrittstufen S1 bis S16 des Schrittschaltwerkes bestehen — wie am Beispiel der Schrittstufe S 2 dargestellt — jeweils aus einer bistabilen Kippstufe 45, deren ihrem Ausgang A zugeordneter Eingang vom Ausgangssignal eines UND-Gatters 46 beaufschlagbar ist. Eingangsseitig ist das UND-Gatter 46 mit dem mit V bezeichneten Vorbereitungseingang und dem mit S bezeichneten Setzeingang verbunden.

Jede Schrittstufe weist auch einen noch mit L bezeichneten Loscheingang auf, welcher mit dem anaeren Eingang der bistabilen Kippstufe 45 verbunden ist. Das Setzen einer derartigen Schrittstufe und aamit em L-Signal in Form einer beispielsweise positiven Spannung ist nur möglich, wenn der mit dem vorbereitungseingang V dieser Stufe verbundene Ausgang A der vorhergehenden Stufe ein L-Signal runrt und gleichzeitig an dem Setzein ^ang 5 dieser ature em L-Signal auftritt. Sobald auf diese Weise eine bcnnttstufe gesetzt wurde, bewirkt das an ihrem Ausgang Λ nun auftretende L-Signal ein Löschen der vorhergehenden Stufe. Die Ausgänge der Schrittet J' ^S2>^S4>SS,S7,S8, S 9,SU, S13 und Λ 15 sind über das ODER-Gatter 44 auf den Eingang des Taktgebers 26 geführt. Dieser besteht aus zwei monostabil Kippsrufen 47 und 48 mit den Kippzeiten f, und /„, welche über eine Umkehrstufe γ Hintereinander angeordnet sind. Die Ausgänge der beiden Kippstufen 47 und 48 sind mit den Eingangen eines NOR-Gatters 50 verbunden, dessen Ausgangssginal die Setzeingänge der Schrittstufen

ϊΑ ' Λ⁵⁶' ⁵⁸' ⁵⁹' ⁵¹⁰' S12, S13, S14 und

6 beaufschlagt. Die ansteigende Flanke jedes auf

11 ° 12

den Eingang des Taktgebers 26 gelangenden Impul- Stelleingang der Regelstrecke 1 geschaltet werden, ses bewirkt daher nach Ablauf der Summenzeit r. Die gerätetechnische Ausbildung der Schalter ist an und t₂ ein Setzen derjenigen Schrittstufe, welche der sich beliebig. Zweckmäßigerweise werden bei dem den Eingangsimpuls auf den Taktgeber bewirkenden im Prediktivregler 3 vorgesehenen Schalter, welcher Schrittstufe nachgeordnet ist, sofern deren Setz- 5 von den Ausgangssignalen an den Klemmen 33 bis eingang 5 vom Ausgang des Taktgebers 26 beauf- 39 betätigt wird, Feldeffekttransistoren verwendet, schlagbar ist. Dies gilt also nicht für die Schrittstufen die Schalter 2 α und 2 b könnten zweckmäßigerweise 5 4, 5 7, 511 und 515, welche von dem an der Ein- ebenfalls elektronisch, beispielsweise in Form von gangsklemme 42 anliegenden Signal des Grenzwert- Thyristorschaltern, realisiert werden,
meiders 20 beaufschlagt werden und daher nicht io F i g. 5 zeigt Einzelheiten zur gerätetechnischen automatisch nach Ablauf der oben definierten Sum- Realisierung der Speicher 24 und 25 sowie der diemenzeit seit dem Auftreten eines L-Signals am Aus- sen nachgeordneten Vergleichseinrichtung 22. Bei gang der ihr vorgeordneten Schrittstufe gesetzt wer- dieser überaus einfachen Ausführung dient jeweils den, sondern in Abhängigkeit vom Auftreten eines ein über einen Widerstand R₅₂ bzw. i?₅₃ aufladbarer Extremums, wie es in den zuvor erwähnten Schrit- 15 Kondensator C₅₄ bzw. C₅₅ als Analogspeicher zur ten 4, 7, 11 und 15 beschrieben wurde. In diesem Übernahme des Ausgangssignals des Summier-Zusammenhang ist zu bemerken, daß die Bezeich- gliedes 17 bei entsprechender Betätigung einer der nung der Schrittstufen 51 bis 511, 513 bis 515 Schalter 21 α bzw. 21 b. An die Kondensatoren C₅₄ übereinstimmt mit den entsprechend bezeichneten bzw. C₅₅ sind als Impedanzwandler beschaltete Ope-Schritten, d. h., daß jeweils das L-Signal am Ausgang 20 rationsverstärker 56 und 57 angeschlossen. Das Auseiner dieser Schrittstufen die in dem entsprechend gangssignal des Impedanzwandlers 56 beaufschlagt bezeichneten Schritt angegebene Wirkung zur Folge direkt den Eingang eines Addierverstärkers 58, wähhat, indem an den teilweise über ODER-Gatter mit rend das Ausgangssignal des Impedanzwandlers 57 Schrittstufenausgängen verbundenen Klemmen 33 diesem über einen Umkehrverstärker 59 zugeführt bis 39 auftretende L-Signale eine Betätigung der ent- 25 ist. Wie bereits zuvor erwähnt, erscheint immer dann sprechenden Schaltelemente bewirken. Die Schritt- an der Ausgangsklemme 43 ein positives, als L-Sistufen 12 und 16 sind in Abhängigkeit davon, ob gnal verwendetes Signal, wenn der Inhalt des Speider Inhalt des Speichers 24 größer oder kleiner ist chers 24, d.h. die Spannung am Kondensator C₅₄, als der Inhalt des Speichers 25, entweder dem Schritt größer ist als der Inhalt des Speichers 25, d. h. die 12 oder dem Schritt 16 zugeordnet. Ist z.B. der In- 30 Spannung am Kondensator C₅₅.
halt des Speichers 24 beim Schritt 8, d. h. bei einem F i g. 6 zeigt schließlich eine Realisierungsmöglich-L-Signal am Ausgang der Schrittstufe 8, kleiner als keit für die in F i g. 3 mit 16 bezeichnete Quadrierder Inhalt des Speichers 25, dann tritt an der Klemme einrichtung und das ihr nachgeordnete Summier-43 ein Signal negativer Polarität, d. h. ein O-Signal glied 17. Die Quadriereinrichtung 16 besteht aus auf, am Ausgang der Umkehrstufe 51 daher L-Signal, 35 Multiplizierern 60 bis 63, deren beide Eingänge je- und es werden daher anschließend die Schrittstufen weils von einer der Ausgangsspannungen des Regel-513, 514 und 515 betätigt. Ist dann beim Schritt 15, streckenmodeils 14 beaufschlagt sind. An Stelle died. h. beim Auftreten eines L-Signals am Ausgang A ser als Quadrierer verwendeten Multiplizierer 60 bis der Schrittstufe 15, der Speicherinhalt des Speichers 63 könnten selbstverständlich auch entsprechende 24 immer noch kleiner als der des Speichers 25, 40 Funktionsbildner verwendet werden, welche in an dann wird die Schrittstufe 16 betätigt, und ihr Aus- sich bekannter Weise mittels vorgespannter Schwellgangssignal bringt eine bistabile Kippstufe 52 in die wertdioden realisierbar sind. Die Ausgänge der Qua-Lage, daß ein L-Signal an der Klemme 40 erscheint. drierer 60 bis 63 sind additiv dem Eingang eines Im anderen Fall jedoch, wo der Speicherinhalt des Addierverstärkers 64 zugeführt. Aus der F i g. 6 wird Süeichers 24 größer ist als der Inhalt des Speichers 45 besonders deutlich, daß die einzige Änderungsmaß-25, wird die Schrittstufe 12 betätigt und von der bi- nähme für die Anpassung des erfindungsgemäßen stabilen Kippstufe 52 ein L-Signal an die Klemme 41 Prediktivreglers an Regelstrecken höherer Ordnuns ausgegeben. L-Signale an den Klemmen 40 und 41 darin besteht, in der Quadriereinrichtung zusätzlich betätigen, wie ein Vergleich mit dem Übersichts- eine entsprechende Anzahl von Quadrierern vorzuschaltbild gemäß F i g. 3 zeigt, die Schalter 2 α bzw. 50 sehen und deren Ausgangssignale ebenfalls den 2 b, wodurch die Stellgrößen IZ₁ bzw. U₂ auf den Addierverstärker 64 zuzuführen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur prediktiven Regelung mit einem gegenüber der Regelstrecke erheblich schneller reagierenden Regelstreckenmodell und zwei wahlweise aktivierbaren, entgegengesetzt gerichteten konstanten Stellsignalen für Regelstrecke und Regelstreckenmodell, dadurch gekennzeichnet, daß fortlaufend mit dem Regelstreckenmodell jeweils zur Bestimmung einer Regelstreckenstellgröße mit beiden Stellsignalen Testläufe durchgeführt werden und dasjenige Stellsignal zur Ausgabe einer entsprechenden Stellgröße für die Regelstrecke ausgewählt wird, welches bei den Testläufen zur kleinsten Norm des nachgebildeten Regelfehlervektors geführt hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß