DE2510837B2

DE2510837B2 - Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken

Info

Publication number: DE2510837B2
Application number: DE2510837A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Boehm; Walter Dipl.-Ing. Dreiseitl; Herbert Ing.(Grad.) Polster; Lothar Schleicher; Winfried Dr.-Ing. Speth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1979-10-31
Also published as: SE7601276L; JPS51114571A; SE431263B; CH593514A5; GB1535560A; DE2510837A1; FR2304112B1; US4052642A; ZA761173B; BE839007A; FR2304112A1; IT1063750B; CA1053752A; ATA961675A; AT343225B; DE2510837C3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit einem Totzeitglied, dessen Totzeit etwa der Totzeit der Regelstrecke entspricht und mit einem Regler, insbesondere mit einem Regler mit integralem Verhalten, in dem ein von der Differenz des Istwertsignals und des Ausgangssignals des Totzeitgliedes abhängiges Eingangssignal verarbeitet wird.

Eine derartige Einrichtung bildet einen Teil einer aus der Zeitschrift »Messen, Steuern, Regeln« 12 (1969), Heft 5, Seite 182 bis 184 und Heft 6, Seite 252 bis 254 bekannten Prädiktorregelung. Dort ist das Totzeitglied in einem störgrößenfreien Regelstreckenmodell angeordnet, das zur Identifizierung der Störgröße verwendet wird, welche dann über einen Prädiktor geführt und dem gleichfalls über einen Prädiktor geführten Sollwert in umgekehrter Richtung aufgeschaltet wird. Das sich hierbei ergebende Summensignal bestimmt über ein Steuerungsglied, welches die inverse Nachbildung des totzeitfreien Regelstreckenteils enthält, die Stellgröße. Bei dieser bekannten Einrichtung werden nur die von der Störgröße herrührenden Einflüsse mittels einer Regelung beseitigt, während das Führungsverhalten, d. h. die Reaktion der Stellgröße auf Sollwertänderungen, durch eine reine Steuerung bestimmt ist, welche zwar unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Störgrößenregelkreises dimensioniert werden kann, eine Korrekturmöglichkeit für den Fall, daß die Regelgröße nicht dem vorgegebenen Sollwert folgt bzw. diesen erreicht, mangels eines Vergleichs zwischen Sollwert und Regelgröße nicht ermöglicht Abweichungen, insbesondere betriebsbedingter Art, zwischen Regelstrecke und ihren im Regler verwendeten modellmäßigen Nachbildungen müssen daher zu unvermeidbaren und zum Teil irreparablen Abweichungen zwischen Sollwert und Regelgröße führen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Einrichtung ist darin zu sehen, daß die Struktur der verwendeten, relativ aufwendigen Prädikatoren jeweils dem Charakter der von ihnen vorherzusagenden Signale angepaßt werden muß und diese Prädiktoren eine exakte Vorhersage aus prinzipiellen Gründen nicht realisieren können, was zu weiteren Fehlern Anlaß gibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, problemlose Einrchtung der eingangs genannten Art mit großer Regelgenauigkeit zu schaffen, bei welcher die Anregelzeit auf ein Minimum verkürzt sowie bleibende Regelabweichungen und unnötige Reglerbefehle vermieden werden. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Sollwertsignal dem Eingang des Totzeitgliedes zugeführt und mit dem Ausgangssignal des Reglers zur Bildung der Stellgröße verknüpft ist.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, das Stellglied mit dem Sollwertsignal vorzusteuern und nach Sollwertänderungen die Regelung erst nach Ablauf der Regelstreckentotzeit einsetzen zu lassen. Der bei richtig angepaßter Vorsteuerung nur noch zum Ausregeln von Störgrößen in Aktion tretende Regler steht jedoch bereit, um infolge beispielsweise betriebsmäßig verursachter Fehlanpassung dieser Vorsteuerung nach Ablauf der Totzeit korrigierend im Sinne einer Beseitigung einer daraus resultierenden Regelabweichung einzugreifen.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet für^die Erfindung sind totzeitbehaftete Stromrichterregelungen, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift »Technische Mitteilungen«, AEG-Teleiunken 59 (1969), Seite 348 bis 352 beschrieben sind. Dort wird ein Stromrichterstellglied ausschließlich vom Ausgangssignal eines Stromreglers beeinflußt. Daher wird die Zeit, nach welcher eine Sollwertveränderung in einer entsprechenden Veränderung am Regelstreckenausgang resultiert, maßgeblich mitbtstimmt vom Zeitverhaltcn des Stromreglers. Es ergeben sich mit dieser Einrichtung Anregelzeiten, welche ungefähr das sechsfache der mittleren statistischen Totzeit des Stromrichters betragen.

In dem prinzipiellen Blockschaltbild der F i g. 1 ist mit 5 die Regelstrecke 5 bezeichnet, welche auch das nicht dargestellte Stellglied umfassen und insgesamt den Verstärkungsfaktor Ks und die Totzeit To aufweisen möge. Zwischen der Eingangsgröße ydcr Regelstrecke S und ihrer Ausgangsgröße χ besteht allgemein die Beziehung V, = ¹J ^x. Für den Fall, daß zwischen χ und y ein nichtlinearer Zusammenhang entsprechend der

Kennlinie χ = f_s (y) besteht, wird die Streckenverstärkung V₅ = ^ = fi (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 H- beaufschlagt wird. Aufgabe dieses Kompensationsgliedes ist es, die arbrtspunktabhängige Regelstreckenverstärkung Vs zu kompensieren. Es weist daher den ebenfalls arbeitspunktabhängigen Proportionalverstärkungsfaktor Vi auf, welcher so gewählt ist, daß das Produkt Vi · Vj für jeden Arbeitspunkt einen wählbaren, konstanten Wert V_r 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

und für den Pro.por!iona!ve^rstärkungsfaktor K; gilt dann

v_k =

du·

Realisiert werden kann ein derartiges Kompensationsglied mittels an sich bekannter Funktionsgeneratoren, 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 eingangsseiti;. in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem über eine Totzeitnachbildung N geführten und über ein Proportionalglied PmW. der Verstärkung V_r verstärktem Sollwertsignal w und dem Istwert χ der Regelgröße beaufschlagt wird. Die Totzeit Γ des Totzeitgliedes N entspricht etwa der Totzeit der Regelstrecke S, seine Verstärkung besträgt 1. Auf eine sprunghafte Veränderung seine*; Eingangssignals hin weist also nach Ablauf der Totzeit sein Ausgangssignal den gleichen Wert wie sein Eingangssignal auf. Die gerätetechnische Realisierung eines Totzeitgliedes kann in an sich bekannter Weise entweder mittels einer LC-Kette aus genügend vielen Gliedern oder mittels eines Allpaßnetzwerkes, einer sogenannten Pade-Näherui.^, 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 zu sovjen, ist es zweckmäßig, im Eingangskreis des Reglers R angeordneten Modulationsglicd M, beispielsweise in Form eines Multiplizierers anzuordnen und das Eingangssignal des Reglers R mit dem Verstärkungsfaktor V* des Kompensationsgliedes zu modulieren. Auf diese Weise arbeitet der Regler R stets in einem Regelkreis mit der konstanten Verstärkung V_r = V* · V,.

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

Durch das Kompensationsglied K wird das statische Übertragungsverhalten der Regelstrecke 5 kompensiert, so daß die Regelgröße Ar einen Sollwertbefehl, bzw. einer Sollwertveränderung in der kürzest möglichen Zeit, welche durch die Totzeit T₀ der Regelstrecke 5 bestimmt ist, folgt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Regelungen, bei welchen das Sollwertsignal erst einen Regler durchlaufen luß, um am Stelleingang der Regelstrecke wirksam werden zu können, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung bedeutend verkürzte Anregelzei'.en. Der Regler R wird nur r.och 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 w' des Proportionalgliedes P ab, was aber durch den Regler R wieder ausgeregeli wird. Ändert sich das Signal w\ so ändert sich dadurch nichts am Eingangssignal des Modulationsgliedes M, da die Folge einer Veränderung des Sollwertsignals wsich mit gleichem Betrag und um die gleiche Zeit verzögert am Ausgang des Proportionalgliedes Pund am Ausgang der Regelstrecke S bemerkbar macht. Nach Veränderung des Sollwertsignals wwird also vermieden, daß unnötige Regelbefehle ausgegeben werden, welche dann nach Ablauf der Totzeit T₀ wieder rückgängig gemacht werden müßten. Die erfindungsger^äße Anordnung ist daher äußerst schwingungsarm unu i^an erreicht mit ihr daß das Führungsverhalten des Systems unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Regelkreises und damit von der Optimierung des Reglers wird.

F i g. 2 zeigt ein für die Ankerstromregelung eines von eineru netzgeführten Stromrichter gespeisten Gleichstrommotors zugeschnittenes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gleichstrommotor 1 besitzt eine Feldwicklung 2, welche von einem konstanten Gleichstrom erregt wird. Die Stromrichteranoidnung 3 weist für jede Stromrichtung des Ankerstromes Ij, 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 Dreiphasenbetrieb mit 50 Hz zu

1 see
50 ^; 6

= ().(X>33

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 r. B. mittels eines im Ankerstromkreis angeordneten Gleichstromwandler 5 gewonnen wird, besteht der in Fig. 3 dargestellte Zusammenhang, welcher sich analytisch mittels der Beziehung / = h ■ y> mit recht guter Näherung beschreiben läßt. Dabei ist h eine Proportionalitätskonstante. Wird beispielsweise beim Ausführungsbeispiel d\f konstante Verstärkung zwischen dem Sollwertsignal /* und der Regelgröße / zu V, = 1 gewählt, dann ist zwischen der Ausgangsgröße b und der Eingangsgröße /'* des Kompensa'ionsgliedes K die Funktion

/) = I I* /l

zu realisieren, welche die Umkehrfunktion zu der in

F i g. 3 wiedergegebenen Funktion darstellt. Das an der Klemme 7 erscheinende Ausgangssignal 6des Kompensationsgliedes K wird einem Summierglied 8 zugeführt, welches eingangsseitig außerdem noch mit dem Ausgangssignal eines Pl-Reglers R verbunden ist. Als Modulationsglied M für das Eingangssignal des Reglers R ist beim Ausführungsbeispiel der 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 Proportional verstärkung

cl/i
d/*

- I 1.1

des Kompensationsgliedes K. Der Dividendeneingang des Modulationsglicdes M ist mit dem Ausgang eines Vergleichsgliedes 11 verbunden, welches die Differenz aus dem Istwert der Regelgröße /und dem Ausgangssigiial /*' ueüTui/.eiigiicueS fVuiiuci.

Die bisher beschriebene Anordnung gemäß F-" i g. 2 entspricht der Anordnung nach Fig. 1. Da jedoch die Regelstrecke S beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 auch noch eine durch die Ankerkreiszeitkonstante 7".₍ 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 Flöhe 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 F i g. 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 Verzögerungseliedes verändert.

Mit der in F i g. 2 dargestellten Anordnung lassen sich die Anregelzei'.en von Stromregelungen mit Stromrichterstellgliedern gegenüber den bisherigen Schaltungen um ein Vielfaches verkleinern, wobei sich herausgestellt hat, daß das Wegfallen der Streckenverzögerung im L"ckbereich 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 /* stehen, welches von der Streckenkennlinie / = Λ (y)abhängt. Anstatt hierfür nun zwei getrennte Funktionsgcncratorcn zur Erzeugung dieser beiden unterschiedlichen Funktionen zu verwenden, ist in F i g. 4 eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher man mit einem einzigen Funktionsgenerator beide dieser Funktionen erzeugen kann, indem eine Mehrfachausnutziing seiner Bausteine erfolgt. Diese Ausführungsform besteht in einem Operationsverstärker 14, dessen Ausgangsgröße über zwei hiniereinander angeordnete Multiplizierer 15 und 16 rückgekoppelt ist und welche mit seiner Ausgangsgröße beaufschlagt sind. Der Wert ties Ausgangssignais des Operationsverstärkers 14 wird in einem weheren Operationsverstärker 17 durch das angegebene Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand zu F.ingangswiderstand um den Faktor

VCl V[LIIiILI!

Signal

/i

entsteht. Fs ist ein weiterer Operationsverstärker 18 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Multiplizierers 15 mit dem Faktor

ι ;' η

vervielfacht, so daß an der Klemme 9 ein Signal der Größe

1 I₁ = 3

\h

entsteht, welches dem Divisoreingang des Modulationsgliedes Min F i g. 2 zugeführt wird.

Anstelle den den Regler R enthaltenden Regelkreis mittels eines Modulationsgliedes in Form eines Multiplizierers oder eines Quotitntenbildners zu linearisieren. kann auch auf die Variante gemäß F i g. 5 zurückgegriffen werden. Zum Unterschied zu der Ausführung gemäß der F i g. 1 wird hier das am Ausgang des Totzeitgliedes N abgenommene Sollwertsignal für den Regler R über einen Funktionsgenerator K₂ und das Istwertsignal a über einen weiteren Funktionsgenerator K) geführt. Die Kennlinien der Funktionsgeneratoren K₂ und K_s stimmen mit der des das Stellglied unmittelbar beaufschlagenden Funktionsgenerators K\ überein und stellen die Umkehrfunktion der Streckenkennlinie χ = Ζ", (y) dar. Durch den Einsatz der Funktionsgeneratoren K: und K_s wird die Regelung line«. . Die Ausführung gemäß Fig. 5 zeichnet sich durch die Verwendung einfacherer Bauelemente aus, es ist jedoch dafür zu sorgen, daß die Kennlinien der drei Funktionsgeneratoren K\, Ki und Kj möglichst gut übereinstimmen.

Hierzu 2 Blatt Zcichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit einem Totzeitglied, dessen Totzeit etwa der Totzeit der Regalstrecke entspricht und mit einem Regler, insbesondere mit einem Regler mit integralem Verhalten, in dem ein von der Differenz des Istwertsignals und des Ausgangssignals des Totzeitgliedes abhängiges Eingangssignal verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwertsignal

a) dem Eingang des Totzeitgliedes (N) zugeführt und

b) mit dem Ausgangssignal des Reglers (R) zur Bildung der Stellgröße ^) verknüpft ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 für Regelstrecken mit arbeitspunktabhängiger Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollwertsignal dem Stellglied über ein die Regelstreckenverstärkunj kompensierendes Glied (K. K 1) zugeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2. gekennzeichnet durch ein dem Regler (R) vorgeschaltetes Modulationsglied (M) zur Adaption der Reglerverstärkung an die Regelstreckenverstärkung.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für Verzögerungsglieder enthaltende Regeistrecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Differenz zwischen dem Ausgangs- und dem Eingangssignal des Totzeitgliedes (N) proportionale Größe als zusätzliche Steuergröße dem Stellgliedeingang zugeführt ist.

5. Einriciitung nach den Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, -laß das Soll- und das Istwertsignal dem Regler (R) über je ein weiteres Kompensationsglied (K 2, K λ zugeführt sind.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 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) hintereinander angeordnete Multiplizierer (15,16) enthält und zwischen den Multiplizierern das für den Divisoreingang eines als Modulationsglied (M) dienenden Quotientenbildners bestimmte Modulationssignal abgegriffen ist (F i g. 4).