DE2443340A1 - Servo-steuerung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH 2443340 DIPL-ING ERNST RATHMANN

München 71,

Melchloretr. 42

Unser Zeichen: ^ 12 914

FERRANTI LIMITED Hollinwood, Lancashire England

Servo-Steuerung

Die Erfindung betrifft eine Servosteuerung mit einer Rückkopplung, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignales, das die Differenz zwischen einem gewünschten und_Ä.dem wirklichen Zustand einer zu steuernden Einrichtung darstellt sowie mit Einrichtungen, die auf das Fehlersignal ansprechen, um ein Steuersignal für die zu steuernde Einrichtung zu erzeugen.

In manchen Servosteuerungen können große Variationen hinsichtlich der Empfindlichkeit eines Elementes und/oder der Verstärkung eines Verstärkers auftreten, die Probleme hinsichtlich der Kompensation aufwerfen. Ein derartiges System ist beispielsweise die präzise Positionssteuerung, die schwimmende einachsige Kreisel zur Aufnahme bzw. Feststellung der Position verwenden, z.B. auf einer Trägheitsplattform eines Navigationssystemes. Die Empfindlichkeit eines Kreisels hängt hierbei von der Temperatur ab und die Gesamtverstärkung kann um einen Faktor von etwa 1000 variieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bisher bekannten Lh/fi - 2 -

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Servosysteme zu verbessern.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um ein vorgegebenes Störsignal in die Rückkopplungsschleife einzugeben sowie Einrichtungen, die auf einen Vergleich des Störsignales und eines Antwortsignales ansprechen, um die Verstärkung in der Rückkopplung zu verändern.

Vorzugsweise ist das Störsignal periodisch und sein Vergleich mit dem Antwortsignal erfolgt in entsprechenden Intervallen. Die Vergleichssignale können einen Integrator ansteuern, um die Verstärkung in der Schleife zu steuern. Ein Impuls-Störsignal kann benutzt werden, um den Ausgang eines !Comparators zu steuern, der das Störsignal und das Schleifen-Antwortsignal empfängt.»

Die Verstärkung, die durch den Vergleich des Störsignales gesteuert wird, kann die eines separaten Verstärkers sein, der zusätzlich zu den normalerweise für die Erzeugung des Steuersignales verwendeten Verstärker vorhanden ist.

Ein geeignetes Verfahren zur Steuerung einer Servoschleife besteht darin, ein temporäres Störsignal in das Schleifen-Steuersignal einzugeben und die gesamte Schleifenverstärkung entsprechend dem Vergleich des Störsignales und des entstehenden Schleifen-Steuersignales zu variieren.

Beispielsweise Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch ein Fließdiagramm einer Servosteuerung zeigt. Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer Servosteuerung.

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Fig. 3 zeigt idealisierte Wellenformen für die Steuerung nach Fig. 2.

Die Servosteuerung nach Fig. 1 umfaßt einen Motor 10 zum Antrieb einer Belastung 12, die wenigstens einen Teil des gesteuerten Systemes bildet. Der Zustand eines Parameters aufgrund welchem die Steuerung erfolgt, wird bei 14 abgefühlt bzw. aufgenommen und rückgeführt und bei 16 mit einem Bedarf 18 verglichen, der in gleicher bzw. entsprechender Form wie der aufgenommene Parameterwert ausgedrückt ist.

Das System ist derart, daß große Variationen der Verstärkung oder der Empfindlichkeit erfolgen können und dies wird durch den Block 20 dargestellt, der anzeigt, daß die Ergebnisse des Vergleichs einem variablen Maßstab unterworfen sind. Normalerweise ist das Vergleichssignal ein elektrisches Signal das bei 22 frequenz-kompensiert wird, um eine positive Rückkopplung für bestimmte Frequenz-Phasen-Komponenten zu vermeiden, die in dem Signal erscheinen können. Die Schleifenverstärkung (servo loop gain) wird dann angelegt, um ein Motor-Steuersignal zu erzeugen, wie bei 24 gezeigt ist.

Fig. 1 zeigt ferner ein Verfahren zum Einstellen der Verstärkung für die Ergebnisse des Vergleichs im Block 16, um die variable Verstärkung im Block 20 zu kompensieren. Die weitere Verarbeitung der variablen Verstärkung im Block 26 erfolgt unter der Kontrolle einer Vergleichseinrichtung 28, die die Ergebnisse der Verstärkung im Block 26 mit einem temporären Störsignal vergleicht, das an einem geeigneten Punkt in die Servoschleife eingegeben, wird, z.B. bei A unmittelbar ehe die normale Verstärkung im Block 24 der Schleife erreicht ist. Das Störsignal wird wiederholt von einer Impulsquelle 30 mit vorgegebener Wiederholungsrate geliefert. Zwischen den Störsignalen ist es erwünscht, die variable Verstärkung im Block 26 auf einem Niveau zu halten, das durch einen

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Vergleich im Block 28 des zuletzt angelegten Impulses eingestellt wird. Das Ergebnis der Vergleichs wird im Block 32 integriert und für jeden angelegten Impuls auf" den neuesten Stand gebracht unter Verwendung einer Koinzidenz-Torschaltung 34, die die Impulse selbst für Schaltzwecke verwenden kann.

Das Integriersignal, das vom Block 32 an den Block 26 angelegt wird, bleibt im wesentlichen konstant gegenüber nachfolgenden Impulsen wenn das Produkt des Blockes 20 und des Blockes 26 konstant ist. Der Vergleich im Block 28 zeigt dann einen vorgegebenen Zusammenhang zwischen dem Störimpuls und seiner Wirkung auf die Servoschleife an. Zwischen dem Anlegen des Störimpulses und dem Auftreten der Antwort auf ihn in der Servoschleife liegt eine Verzögerung. Der integrierte Wert des Vergleichs bringt dies zum Ausdruck und in einem stationären Zustand des Blockes 20 ist dieser Wert derselbe am Ende des Störimpulses wie zu Beginn. Mit anderen Worten, die Wirkung des Störimpulses wird innerhalb der Dauer des Impulses korrigiert, womit angezeigt wird, daß keine andere wesentliche Verstärkungs-Xnderung in dem System erfolgt.

Im Blockdiagramm nach Fig. 2 treibt ein Servomotor 40 eine Belastung 41 entsprechend dem Ausgang eines Leistungsverstärkers 42. Ferner sind ein Aufnahme-Sensor 43 und ein mit ihm verbundener Verstärker 44 vorgesehen. Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht darin, die Plattform eines Trägheitsnavigationssystems, z.B. für ein Flugzeug, zu steuern. In diesem Fall ist der Servomotor 40 mit einer Kardanachse der Plattform verbunden, die einachsige Kreisel besitzt, welche Ausgänge liefern, die die Winkelverschiebungen um die Kreiselachsen darstellen, die gewöhnlich unterschiedlich von den Kardanachsen sind. Die Erfindung eignet sich aber in gleicher Weise auch für zweiachsige Kreisel. Die Blöcke 43 und 44 können dann als Kreisel-Aufnehmer und Resolver ausgebildet sein, um Verschiebe-Signale um die Kardanachse zu

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liefern. In Fig. 2 ist nur ein Verschiebesignal 45 aufgrund des , Servomotors 40 gezeigt, das an einen Eingang eines Komparators 46 gelegt wird. Der Komparator 46 hat ferner einen Eingang 47 für ein Signal, das die gewünschte Winkelverschiebung der Plattform in der betreffenden Kardanachse darstellt. Der Ausgang des Komparators über eine Leitung 48 stellt eine Verschiebung dar, entsprechend der der Servomotor 40 erregt werden muß, um die gewünschte Ausrichtung der Plattform aufrecht zu erhalten oder zu erreichen. In einem solchen System ist die Verstärkung (gaine) oder die Empfindlichkeit (sensitivity) großen Schwankungen unterworfen. Kreisel, die in einem Gehäuse ein drehbares Rad in einem viskosen Medium gelagert haben, hängen gewöhnlich weitgehend von dem viskosen Widerstand in dem Medium zwischen dem Gehäuse und dem darin enthaltenen Medium ab. Die Proportionalität des Antwortsignales auf eine gegebene Verschiebung oder Verdrehung hängt von der Viskosität des Mediums ab, die sich mit der Temperatur stark ändert, wobei außerdem Geschwindigkeitsveränderungen beträchtlich hierzu beitragen. Sämtliche Faktoren, die die Empfindlichkeit des Meßsystemes beeinflussen, können insgesamt eine Variationsbreite in der Größenordnung des 1000-fachen der Gesamtverstärkung oder Gesamtübertragung hervorrufen.

In einem Trägheits-Navigationssystem für Luftfahrzeuge sind die Kreiselausgänge amplitudenmodulierte Wechselstromsignale mit 15Hz-Trägerfrequenz, obgleich das Servometer durch ein Signal

Es
mit 400 Hz angesteuert wird, ist daher ein Demodulator 49 in der Servoschleife vorgesehen, der auf den Ausgang des Komparators 46 arbeitet, um ein Gleichstrom-Bedarfssignal zum Anlegen an den Verstärker 42 zu erzeugen. Der Verstärker 49 ist vor einem Kompensations-Netzwerk 50 für Frequenz und Phase angeordnet, das eine unerwünschte Reaktion auf Frequenzkomponenten anspricht, die im Antwortsignal der Servoschleife vorhanden sein könnten. Vor dem Verstärker 42 ist. zweckmäßigerweise ein 40OHz-Modulator geschaltet.

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Die Ausführungsform nach Fig. 2 befaßt sich mit Veränderungen der Empfindlichkeit und des Verstärkungsfaktors bzw. Ubertragungsfaktors (gain) wobei Störungssignale in die Servoschleife eingegeben werden. Es werden hierbei Impulse vorgegebener Rate und Dauer an eine Klemme P gelegt. Sie werden differenziert und als bipolare Störsignale D am Punkt 51 vor dem Verstärker 42 angelegt. Der dargestellte Kondensator 52 ist ein Teil der Differenziereinrichtung.

Das Antwortsignal des Servokreises auf die eingegebene Störung wird an einem geeigneten Punkt in der Schleife und zwar vor dem Punkt der Eingabe abgenommen. Das frequenzkompensierende Netzwerk 50 ist ein besonders geeigneter Platz zur Abnahme der Antwortsignale R. Die die Störung erzeugenden Impulse von der Klemme P werden ferner an eine Torschaltung 53 gelegt, um Schalter 54 und 55 zu schliessen, über die Eingänge an einen Komparator 56 gegeben werden, über die Schalter 54 und 55 werden entsprechend das Störsignal D und das Antwortsignal R geführt, welche miteinander verknüpft werden, um die Auslenkung mit der ersten Polarität (first polarity excursion) der bipolaren Störung durchzuleiten und um das entsprechende Antwortsignal mit der entgegengesetzten Polarität zu empfangen. Dies ist dargestellt indem der erste Impulsverlauf der zweiten und dritten Linie von Fig. 3 schattiert worden ist, wobei Fig. 3 die zeitlichen Zusammenhänge mit der Verknüpfung der ursprünglichen Rechteckimpulse in der ersten Linie der Figur zeigt.

Der Ausgang ,des Komparators 56 ist an einen Integrator 57 gelegt, der die Verstärkung eines Gleichstromverstärkers 58 (mit variabler Verstärkung) steuert, der vor dem Demodulator 49 in der Servoschleife geschaltet ist. Der Ausgang des Integrators am Ende eines Impulses B stellt daher die Differenz in der schattiert gezeichneten Fläche in den Leitungen D und P von Fig. 3 für die erste Störung dar. Wenn diese beiden Flächen gleich sind, so ist

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die Verstärkung des Verstärkers 58 am Ende des entsprechenden Impulses P dieselbe wie sie zu Beginn war, womit gezeigt wird, daß keine andere beachtliche Verstärkungsänderung in dem System vorhanden ist. Auf diese Weise wird die ,Geschwindigkeit, in der die Servoschleife auf eine unvermeidliche Veränderung der Empfindlichkeit (Verstärkung) anspricht, stark gesteigert, womit es möglich wird, einen größeren Bereich solcher Veränderungen zu kompensieren.

Die Erfindung eignet sich auf für andere Anwendungsfälle mit anderen Parametern, die·unvermeidlichen Veränderungen unterworfen sind, beispielsweise bei Veränderungen von mechanischen Kupplungen oder z.B; bei der Darstellung bewegter Karten oder beim Transport eines Magnetbandes oder eines Filmes, bei denen starke Änderungen der Trägheit, oder der wirksamen Durchmesser der Spulen auftreten können.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Servo-Schaltungsanordnung mit einer Rückkopplungsschleife, einer Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignales, das die Differenz zwischen einem gewünschten und einem wirklichen Zustand eines gesteuerten Systems darstellt, sowie Einrichtungen, die auf das Fehlersignal ansprechen, um ein Steuersignal zu erzeugen, gekennzeichnet durch Einrichtungen (51, 52) zur Eingabe eines vorgegebenen Störsignales in die Schleife, sowie durch Einrichtungen (57, 58), die auf einen Vergleich des Störsignales mit einem Antwortsignal der Schleife ansprechen, um die Verstärkung in der Schleife zu verändern.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Eingabe des Störsignales einen Kondensator (52) zum Differenzieren von Impulsen umfassen, um bipolare Störsignale zu liefern.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Störsignal periodisch ist und eine Torschaltung (53) sowie Schalter (54, 55) vorgesehen sind, um den Vergleich in Intervallen vorzunehmen, die auf die Periode des Störsignales bezogen sind.

   Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Integrator (57) zur Steuerung eines Verstärkers (58) entsprechend dem Vergleich von diskreten temporären Komponenten des Störsignales.

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