DE2510837A1

DE2510837A1 - Einrichtung zur regelung von totzeitbehafteten regelstrecken

Info

Publication number: DE2510837A1
Application number: DE19752510837
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Boehm; Walter Dipl Ing Dreiseitl; Herbert Ing Grad Polster; Lothar Schleicher; Winfried Dr Ing Dr Speth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1976-09-16
Also published as: FR2304112A1; CH593514A5; CA1053752A; SE431263B; US4052642A; ZA761173B; FR2304112B1; DE2510837C3; GB1535560A; JPS51114571A; DE2510837B2; BE839007A; IT1063750B; ATA961675A; SE7601276L; AT343225B

Description

Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit einem Regler mit Integralverhalten.

Eine derartige Einrichtung ist aus der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken» 59 (1969, S. 348 - 352) bekannt. Hierbei wir ein Stromrichterstellglied ausschließlich vom Ausgangssignal eines Stromreglers beeinflußt. Daher wird die Zeit, nach welcher eine Sollwertveränderung in einer entsprechenden Veränderung am Regelstreckenausgang resultiert, maßgeblich mitbestimmt vom Zeitverhalten des Stromreglers. Es ergeben sich mit der bekannten Einrichtung Anregelzeiten, welche ungefähr das Sechsfache der mittleren statistischen Totzeit des Stromrichters betragen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Anregelzeit bei Einrichtungen der eingangs genannten Art zu verkleinern und das Führungsverhalten der Regelstrecke unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Regelkreises zu machen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Sollwert dem Regler über ein Totzeitglied, dessen Totzeit etwa der Totzeit der Regelstrecke entspricht, zugeführt ist und außerdem zusätzlich das Eingangssignal für das Stellglied beeinflußt. Auf diese Weise wird der Regler nur noch zum Ausregeln von Störgrößen benutzt und seine im Hinblick auf eine optimale Regelung getroffene Auslegung hat nur korrigierende Auswirkungen auf das Führungsverhalten. Bei der Anregelzeit des

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Systems kann daher praktisch der theoretisch kürzest mögliche Wert erreicht werden.

Die Erfindung samt ihrer weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert werden.

In dem prinzipiellen Blockschaltbild der Fig. 1 ist mit S die Regelstrecke S bezeichnet, welche aueh das nicht dargestellte Stellglied umfassen und insgesamt den Verstärkungsfaktor V_c und die Totzeit T_ aufweisen möge. Zwischen der Eingangsgröße y der Regelstrecke S und ihrer Ausgangsgröße χ

dx besteht allgemein die Beziehung V₃ = -r—- . Für den Fall, daß zwischen χ und y ein nichtlinearer Zusammenhang entsprechend d=r Kennlinie χ = f_ (y) besteht, wird die Streckenverstärkung V = -3— = fJ, (y) arbeitspunktabhängig. Dies sei für die folgenden Betrachtungen angenommen.

Das Stellsignal y für die Regelstrecke setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: Der eine besteht in dem Ausgangssignal b eines Kompensationsgliedes K, welches eingangsseitig vom Sollwertsignal w beaufschlagt wird. Aufgabe diesem Kompensationsgliedes ist es, die arbeitspunktabhängige Regelstreckenverstärkung V zu kompensieren* Es weist daher den ebenfalls arbeitspunktabhängigen Proportionalverstärkungsfaktor V^ auf, welcher so gewählt ist, daß das Produkt Y, . V für jeden Arbeitspunkt einen wählbaren, konstanten

Jüv S

Wert V ergibt. Die von dem Kompensationsglied zu realisierende Funktion zwischen seiner Eingangsgröße w und seiner Ausgangsgröße b - also seine Kennlinie - ergibt sich daher aus der Beziehung w = ψ- . f (b) und für den Proportionalverstärkungsfaktor V, gilt dann V-, =

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Realisiert werden kann ein derartiges Kompensationsglied mittels an sich bekannter Punktionsgeneratoren, welche beispielsweise aus Operationsverstärkern bestehen, in deren Rückkopplungs- oder Eingangskreisen mit unterschiedlichen Spannungen vorgespannte Schwellwertdioden angeordnet sind.

Der zweite Anteil des Stellsignals y besteht im Ausgangssignal eines Reglers R, welcher eingangsseitig in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem über eine Totzeitnachbildung N geführten und über ein Proportionalglied P mit der Verstärkung V verstärktem Sollwert signal w und dem Istwert χ der Regelgröße beaufschlagt wird. Die Totzeit T des Totzeitgliedes N entspricht etwa der Totzeit der Regelstrecke S, seine Verstärkung beträgt 1. Auf eine sprunghafte Veränderung seines Eingangssignals hin weist also nach Ablauf der Totzeit sein Ausgangssignal den gleichen Wert wie sein Eingangssignal auf. Die gerätetechnische Realisierung eines Totzeitgliedes leim in an sich bekannter Weise entweder mittels einer LC-Kette aus genügend vielen Gliedern oder mittels eines Allpaßnetzwerkes, einer sogenannten Pade-Näherung, erfolgen. Um auch in der den Regler enthaltenden Regelschleife eine konstante Regelkreisverstärkung sicher zu stellen und so für einen bei allen Arbeitspunkten optimal angepaßten Regler zur sorgen, ist es zweckmäßig, im Eingangskreis des Reglers R ein Modulationsglied M, beispielsweise in Form eines Multiplizierers anzuordnen und das Eingangssignal des Reglers R mit dem Verstärkungsfaktor V_k des Kompensationsgliedes zu modulieren. Auf diese Weise arbeitet der Regler R stets in einem Regelkreis mit der konstanten Verstärkung V^ = V_v . V .

Γ Jv S

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ergibt sich folgende Wirkungsweise:

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Durch das Kompensationsglied K wird das statische Übertragungsverhalten der Regelstrecke S kompensiert, eo daß die Regelgröße χ einen Sollwertbefehl, bzw. einer Sollwertveränderung in der kürzest möglichen Zeit, welche durch die Totzeit T der Regelstrecke S bestimmt ist, folgt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Regelungen, bei welchen das Sollwertsignal erst einen Regler durchlaufen muß, um am Stelleingang der Regelstrecke wirksam werden zu können, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung bedeutend verkürzte Anregelzeiten. Der Regler R wird nur noch zum Ausregeln der Regelabweichungen benutzt, welche sich durch die auf die Regelstrecke S wirkende Störgröße e ergeben. Solange sich die Störgröße e nicht ändert, stimmt das Ausgangssignal der Totzeitnachbildung mit der Regelgröße überein. Bei Änderung der Störgröße weicht die Regelgröße χ zunächst von dem Ausgangssignal w¹ des Proportionalgliedes P ab, was aber durch den Regler R wieder ausgeregelt wird. Ändert sich das Signal w^!, so ändert sich dadurch nichts am Eingangssignal des Modulationsgliedes M, da die Folge einer Veränderung des Sollwertsignals w sich mit gleichen Betrag und um die gleiche Zeit verzögert am Ausgang des Proportionalgliedes P und am Ausgang der Regelstrecke S bemerkbar macht. Nach Veränderung des Sollwertsignals w wird also vermieden, daß unnötige Regelbefehle ausgegeben werden, welche dann nach Ablauf der Totzeit T_Q wieder rückgängig gemacht werden müßten. Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher äußerst schwingungsarm und man erreicht mit ihr, daß das Führungsverhalten des Systems unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Regelkreises und damit von der Optimierung des Reglers wird.

Fig. 2 zeigt ein für die Ankerstromregelung eines von einem netzgeführten Stromrichter gespeisten Gleichstrommotors zugeschnittenes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gleichstrommotor 1 besitzt eine Feldwicklung 2, welche von einem

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konstantem Gleichstrom erregt wird. Die Stromrichteranordnung weist für jede Stromrichtung des Ankerstromes I. eine sechspulsige Brückenschaltung auf, deren steuerbare Ventile von einem Steuersatz 4 in der hierzu erforderlichen Reihenfolge zu dem jeweils durch die Stellgröße y vorgeschriebenen Zündzeitpunkt in an sich bekannter Weise gezündet werden. Typisch für den Stromrichter 3 ist eine Totzeit, die von der Phasenzahl des Stromrichters abhängig ist. Bekanntlich wird der Stromrichter durch eine Verschiebung der Zündimpulse gesteuert, so daß er der Veränderung des Stellsignals y erst dann folgen kann, wenn die nächste Zündung erfolgt. Die Totzeit des Stromrichters ergibt sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel für Drei-

1 S6C

Phasenbetrieb mit 50 Hz zu -^q r = 0,0033 see. Dies ist

diejenige Zeit, welche bei kleinen Änderungen vergehen kann, ehe eine Änderung der Eingangsgröße des Steuersatzes in eine entsprechende effektive Zündwinkeländerung umgesetzt wird. Zwischen der Eingangsgröße y und der Ausgangsgröße i, welche z.B. mittels eines im AnkerStromkreis angeordnete Gleichstromwandlers 5 gewonnen wird, besteht der in Fig. 3 dargestellte Zusammenhang, welcher sich analytisch mittels der Beziehung i = h . y mit recht guter Näherung beschreiben läßt. Dabei ist h eine Proportionalitätskonstante. Wird beispielsweise beim Ausführungsbeispiel die konstante Verstärkung zwischen dem Sollwertsignal i* und der Regelgröße ί zu ?_r = 1 gewählt, dann ist zwischen der Ausgangsgröße b und der Eingangsgröße i* des Kompensationsgliedes K die Funktion b = yi*/h zu realisieren, welche die Umkehrfunktion £u der in Fig. 3 wiedergegebenen Funktion darstellt. Das an der Klemme 7 erscheinende Ausgangssignal b des Kompensationsgliedes K wird einem Summierglied 8 zugeführt, welches eingangsseitig außerdem noch mit dem Ausgangssignal eines PI-Reglers R verbunden ist. Als Modulationsglied M für das Eingangssignal des Reglers R ist beim Ausführungsbeispiel der

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Fig. 2 ein Quotientenbildner vorgesehen, dessen Divisoreingang mit der Ausgangsklemme 9 des Kompensationsgliedes verbunden ist. Die an dieser Klemme auftretende Spannung entspricht dem Kehrwert der jeweiligen Proportionalverstärkung v - db _ _1/(3 3/_h j^y

^vk " di* ~ ^UKD ' Vⁿ * ^{x ;}

des Kompensationsgliedes K. Der Dividendeneingang des Modulationsgliedes M ist mit dem Ausgang eines Vergleichsgliedes 11 verbunden, welches die Differenz aus dem Istwert der Regelgröße i und dem Ausgangssignal i*^f des Totzeitgliedes N bildet.

Die bisher beschriebene Anordnung gemäß Fig. 2 entspricht der Anordnung nach Fig. 1. Da jedoch die Regelstrecke S beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 auch noch eine durch die Ankerkreiszeitkonstante T. bedingte Verzögerung aufweist, sind zu deren Kompensation noch zusätzliche Maßnahmen vorgesehen. Anstelle der konventionellen Methode zur Kompensation eines Verzögerungsgliedes mittels eines PD-Gliedes wird die Steuerspannung y nach einem Sollwertsprung für die Dauer der Totzeit um einen konstanten, von der Höhe des Sollwertsprunges abhängigen Betrag je nach Richtung des SollwertSprungs erhöht oder vermindert. Die Wirkung dieses Vorhalteeinflusses kann also nicht wie bei einem üblichen PD-Glied während der Totzeit wirkungslos verpuffen, sondern bleibt während der gesamten Dauer der Totzeit bestehen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig.2 wird dies dadurch realisiert, daß in einer Vergleichsstufe 12 das Ausgangs- und das Eingangssignal des Totzeitgliedes N miteinander verglichen und über ein Proportionalglied 13 mit einstellbarer Verstärkung dem Addierglied 8 zugeführt wird. Die Verstärkung des Proportionalgliedes 13 wird entsprechend der Ankerkreiszeitkonstanten eingestellt. Auf diese Weise wird die Steuerspannung y proportional zur Sprunghöhe und zur Zeitkonstanten des Verzögerungsgliedes verändert.

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Mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung lassen sich die Anregelzeiten von Stromregelungen mit Stromrichterstellgliedern gegenüber den bisherigen Schaltungen um ein Vielfaches verkleinern, wobei sich herausgestellt hat, daß das Wegfallen der Streckenverzögerung im Lückbereich sich nicht nachteilig auf den Regelkreis auswirkt und deshalb an dessen Struktur nichts verändert werden muß.

Jede der an den Klemmen 7 und 9 des Kompensationsgliedes K abgegriffenen Spannungen muß in einem entsprechenden funktionsmäßigen Verhältnis zu dem jeweiligen Sollwertsignal i* stehen, welches von der Streckenkennlinie i = f_(y) abhängt. Anstatt hierfür nun zwei getrennte Funktionsgeneratoren zur Erzeugung dieser beiden unterschiedlichen Funktionen zu verwenden, ist in Fig. 4 eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher man mit einem einzigen Funktionsgenerator beide dieser Funktionen erzeugen kann, indem eine Mehrfachausnutzung seiner Bausteine erfolgt. Diese Ausführungsform besteht in einem Operationsverstärker 14, dessen Ausgangsgröße über zwei hintereinander angeordnete Multiplizierer 15 und 16 rückgekoppelt ist und welche mit seiner Ausgangsgröße beaufschlagt sind. Der Wert des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 14 wird in einem weiteren Operationsverstärker 17 durch das angegebene Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand zu Eingangswiderstand um den Faktor 1/3Π" vervielfacht, so daß an der Ausgangsklemme 7 das Signal b = -yi*/h entsteht. Es ist ein weiterer Operationsverstärker 18 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Multiplizierersi5 mit dem Faktor 3 . yfh vervielfacht, so daß an der Klemme 9 ein Signal der Größe 1/V, = 3 . ν h . i* entsteht, welches dem Divisoreingang des Modulationsgliedes M in Fig. 2 zugeführt wird.

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Anstelle den den Regler" R enthaltenden Regelkreis mittels eines Modulationsgliedes in Form eines Multiplizierers oder eines Quotientenbildners zu linearisieren,kann auch auf die Variante gemäß Fig. 5 zurückgegriffen werden. Zum Unterschied zu der Ausführung gemäß der Fig. 1 wird hier das am Ausgang des Totzeitgliedes N abgenommene Sollwertsignal für den Regler R über einen Funktionsgenerator Kp und das Istwertsignal χ über einen weiteren Funktionsgenerator K, geführt. Die Kennlinien der Funktionsgeneratoren Kp und K, stimmen mit der des das Stellglied unmittelbar beaufschlagenden Funktionsgenerators K^ überein und stellen die Umkehrfunktion der Streckenkennlinie

χ = f_(y) dar. Durch den Einsatz der Funktionsgeneratoren s

Kp und K, wird die Regelung linear. Die Ausführung gemäß Fig. zeichnet sich durch die Verwendung einfacherer Bauelemente aus, es ist jedoch dafür zu sorgen, daß die Kennlinien der drei Funktionsgeneratoren K^, Kp und K* möglichst gut übereinstimmen.

6 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

/ 1J Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit einem Regler mit Integralverhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert dem Regler über ein Totzeitglied (N), dessen Totzeit etwa der Totzeit der Regelstrecke entspricht, zugeführt ist und außerdem zusätzlich das Eingangssignal (y) für das Stellglied beeinflußt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 für Regelstrecken mit arbeitspunktabhängiger Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwertsignal dem Stellglied über ein Kompensationsglied (K, K1) zugeführt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Modulationsglied (M) zur Adaption der Regelverstärkung an die Regelstreckenverstärkung.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3 für Verzögerungsglieder enthaltende Regelstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Differenz zwischen dem Ausgangs- und dem Eingangssignal des Totzeitgliedes proportionale Größe als zusätzliche Steuergröße dem Stellgliedeingang zugeführt ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll- und das Istwertsignal dem Regler (R) über je ein weiteres Kompensationsglied (K2, K3) zugeführt sind.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4 für Regelantriebe mit einem netzgeführten Stromrichter als Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsglied (K) zwei im Gegenkopplungskreis eines vom vorgegebenen Stromsollwert beaufschlagten Verstärkers großer Leerlaufverstärkung (14) ahintereinander angeordnete Multiplizierer (15, 16) enthält und zwischen den Multiplizierern das für den Divisoreingang eines als Modulationsglied (M) dienenden Quotientenbildners bestimmte Modulationssignal abgegriffen ist {Fig. 4). cnooQQ/ncQO

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