DE2528313C2

DE2528313C2 - Verfahren zur schrittregelung mit einem dreipunktschalter mit einstellbarer totzonenbreite

Info

Publication number: DE2528313C2
Application number: DE19752528313
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Kallina
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-06-25
Filing date: 1975-06-25
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2528313B1; JPS524977A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schrittregelung mit einstellbarer Totzonenbreite. Sie bezieht sich auch auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Solche Schrittregelungen sind z. B. in der DT-AS 1133454 beschrieben.

Zum Aufbau komplexer Regelsysteme werden immer häufiger Schrittregler mit impulsbreitenmodulierten Ausgangssignalen eingesetzt, da bei dieser Art von Reglern die Eingriffsmöglichkeit über Rechner ohne besonderen Aufwand erreicht werden kann und sie in Verbindung mit integral wirkenden Stellantrieben ein quasistetiges Verhalten aufweisen.

Da jedoch gerade bei dieser Kombination die Auflösung nicht beliebig fein gemacht werden kann, sondern eine minimale Schrittweite des Stailantriebs zu beachten ist, kann auch die Ansprechempfindlichkeit des Reglers nicht auf beliebig kleine Regelabweichungen ausgerichtet werden, sondern es muß eine sogenannte tote Zone vorgesehen werden, die größer ist als eine der minimalen Schrittweite des Antriebs entsprechende Abweichung vom Sollwert. Diese opti-

male Einstellung ist jedoch in der Praxis kaum zu erreichen, da die Eingangsgrößen des Reglers häufig von Störgrößen, insbesondere von einem Rauschen, überlagert sind. Als Folge davon wird der Regler instabil, d. h. innerhalb eines kurzen Zeitraums folgt auf einen positiven Ausgangsimpuls ein negativer, der Regler kommt ins Schwingen. Aus diesem Grunde mußte bisher diese, von Hand eingestellte Totzone so breit gewählt werden, daß auch bei einem von einem Störsignal mit nicht konstantem Rauschpegel überlagerten

Eingangssignal die Stabilitätsgrenze des Reglers nicht überschritten wurde. Die Stabilität des Reglers und damit die Einstellung der toten Zone hängt außerdem noch von der Einstellung der Reglerparameter, der Kreisverstärkung unterlagerten Regelkreise, der Reibung und der Getriebelose des zugehörigen Stellantriebs und von Schwankungen der Versorgungsspannung des Reglers und des Stellantriebs ab. Um allen diesen Gegebenheiten Rechnung zu tragen, muß die tote Zone relativ breit eingestellt werden. Das wirkt sich jedoch insbesondere bei komplexen Regelsystemen, die aus einer Führungsregelung und zahlreichen unterlagerten Regelkreisen bestehen und mit Schrittreglern bestückt sind und starken Schwankungen in den Amplituden der Störgrößen sehr nachteilig aus, da das gesamte System in einen Dauerschwingungszustand verfallen kann, und somit nicht mehr beherrschbar wird. Bei der einzelnen Regeleinrichtung bewirkt die Instabilität des Reglers ein dauerndes Umschalten des Stellantriebs, was in kurzer Zeit zu seiner Zerstörung führen kann.

Es stellt sich somit die Aufgabe, die Totzone von Schrittreglern ständig den aus den Störeinflüssen sich ergebenden Bedingungen anzupassen und selbsttätig in möglichst geringem Abstand von der Stabilitätsgrenze des Reglers bzw. des zugehörigen Regelkreises zu halten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur selbsttätigen Einstellung der Totzonenbreite in Abhängigkeit von dem Eingangssignal überlagerten Störgrößen dem Eingangssignal ein periodisches Hilfssignal mit schrittweise veränderbarer Amplitude additiv aufgeschaltet wird und daß bei Überschreiten der Stabilitätsgrenze des Reglers die Amplitude verringert wird und daß in bestimmten Zeitabständen die Amplitude schrittweise bis zum Eintreten der Instabilität erhöht und dann um einen Schritt zurückgenommen wird, wobei als Kriterium für die einsetzende Instabilität ein Umkippen des Vorzeichens der Ausgangsgröße des Dreipunktschalters dient.

Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht die Erfindung aus einer ersten monostabilen Kippstufe, die mit dem Ausgang des Dreipunktschalters verbunden und für dessen positive Stellimpulse empfindlich ist, einer zweiten monostabilen Kippstufe, die mit dem Ausgang des Dreipunktschalters verbunden und für dessen negative Stellimpulse empfindlich ist, einem UND-Glied, dessen

Eingänge mit den Ausgängen der Kippstufen verbunden sind, einem digitalen Zweirichtungszähler, mit dessen subtrahierendem Eingang der Ausgang des UND-Gliedes und mit dessen addierendem Eingang ein Impulsgeber verbunden ist, einem Signalgenerator zur Erzeugung des Hilfssignals, dessen Amplitudenhöhe in Abhängigkeit vom Inhalt des Zweirichtungszählers steuerbar ist. Das Hilfssignal kann dabei in einem Signalgenerator, beispielsweise einem Rauschgenerator, erzeugt werden, wobei die Amplitude des Hilfssigüals von den den Beginn der Instabilität anzeigenden, kurz aufeinanderfolgenden, entgegengesetzten Ausgangsimpulsen des Schrittreglers gesteuert wird.

Auf diese Weise kann die Totzone des Reglers optimal in der Nähe der Stabilitätsgrenze gehalten werden, das wirksame Spiel des Dreipunktschalters wird unabhängig von äußeren Einflüssen minimal gemacht, Langzeiteffekte, wie Driften und Nv'Jpunktverschiebungen im Signalgenerator werden ebenfalls ausgeglichen, die Getriebelose des Stellantriebs wird zum großen Teil kompensier;, Selbstschwingungen von unterlagerten Regelkreisen infolge falscher Einstellungen werden bis zu einem gewissen Grad unterdrückt.

Ein Abgleich der Einrichtung zur Erzeugung des Hilfssignals ist im Gegensatz zu den bisher bei gestörten Eingangssignalen verwendeten, den Reglern vorgeschalteten Filtern nicht notwendig.

Ein weiterer besonderer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Hilfssignals parallel zu dem eigentlichen Regler geschaltet ist und nicht in Serie, wie beispielsweise Filter. Die Einrichtung kann so während des Betriebes ausgewechselt oder abgeschaltet werden.

Das genannte Verfahren kann auch bei Reglern oder Schaltern mit Zweipunktverhalten zur Anpassung der Schalthysterese bei zeitvariant auftretenden Störungen verwendet werden.

Eine weitere Anwendung des Verfahrensprinzips ist bei der Adaption einer mechanischen Getriebelose-Kennlinie möglich.

Das Erfindungsverfahren stellt eine Extremalwertregelung dar, bei der die Totzonenbreite so geregelt wird, daß die Stabilität des Regelkreises im Optimum liegt. Als Such- oder Testgröße dient hierbei das Hilfssignal. Das Prinzip solcher Regelungen ist z. B. aus der Zeitschrift »Zmsr« 5 (1962) A. 11, Seiten 489 bis 493, bekannt. Für dieses Prinzip allein wird kein Elementenschutz beantragt, wohl aber für seine Anwendung zur selbsttätigen Anpassung der Totzonenbreite von Schrittregelungen an sich verändernde Störgrößen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Fig. 1 das Piinzip des Verfahrens in einem Blockschaltbild dargestellt. Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung des Hilfssignalgenerators mit Hilfe einer Schaltanordnung aus einfachen digitalen Bausteinen.

Fig. 1: Ein elektrischer Schrittregler 1 besteht aus den üblichen, von der gestrichelten Linie umschlossenen Teilen, nämlich dem Vergleicher 2, dem die Regelgröße x, die Führungsgröße w und außerdem die Störgröße ζ zugeführt ist, wobei letztere mehrere Anteile verschiedener Herkunft aufweisen kann, insbesondere ein überlagerndes Rauschen, dessen Pegel in vielen in der Praxis vorkommenden Fällen lastabhäneie und damit zeitvariant ist. Die in dem Vergleicher 2 entstehende Regelabweichung x_w wird über einen weiteren Verknüpfungspunkt 3 einem Dreipunktschalter 4 zugeführt, dessen zwischen den beiden abwärtsschaltenden Zweigen seiner beiden Extremwertschaltpunkte liegende Totzone von Hand so groß eingestellt ist, daß der Regler mit Sicherheit nicht instabil wird. Vom Ausgang des Dreipunktschalters 4 zweigt die Rückführung 5 ab, deren Ausgangssignal in dem Verknüpfungspunkt 3 dem Regelabweichungssignal x_w wie üblich gegengeschaltet ist. Das Stellsignal y am Ausgang des Reglers 1 ist ein impulsbreitenmoduliertes unstetiges Signal, das einen hier nicht gezeichneten Stellantrieb, vorzugsweise einen integral wirkenden Stellantrieb mittels positiver und negativer Impulse in zwei verschiedene Bewegungsrichtungen fahren läßt.

Die Ausgangsimpulse des Dreipunktschalters 4 werden auch einem Steuerglied 6 zugeführt, welches eine schrittweise Veränderung der Amplitude eines

zo m einem Signalgenerator 7 erzeugten Hilfssignals z' nach oben oder unten bewirkt. Das Hilfssignal z' wird in dem Verknüpfungspunkt 2 oder 3 additiv den anderen Eingangsgrößen des Dreipunktschalters 4 zugefügt.

Funktionsweise: Die dem Dreipunktschalter 4 zugefühue Regelabweichung x_n weist eine Bandbreite auf, die im wesentlichen von den zeitvarianten Störgrößen, hier beispielsweise einem überlagerten Rauschen mit nichtkonstantem Pegel, bestimmt wird. Die Einstellung der Totzone am Dreipunktschalter 4 ist deshalb so vorzunehmen, daß auch die größtmöglichen Störeinflüsse nicht zu instabilem Verhalten des Reglers 1 führen. Das bringt jedoch bei normalem Betrieb und geringen Rauschpegeln eine Verschlechterung der Regelgüte mit sich, die bei Kaskadenregelungen zu Dauerschwingungen führen kann.

Um jedoch auch bei kleinen Regelabweichungen ein sicheres Ansprechen des Reglers zu gewährleisten, wird dem von der Stögröße ζ überlagerten Eingangssignal x_K des Reglers das Hilfssignal z' als künstlich erzeugte Störgröße zugefügt. Wird bei einer bestimmten Amplitude dieses Hilfssignal z' die Stabilitätsgrenze des Dreipunktschalters 4 überschritten, was sich dadurch bemerkbar macht, daß die Ausgangsimpulse der Stellgröße y innerhalb eines kurzen Zeitraums die Richtung wechseln, so bewirkt das von diesen Ausgangssignalen beeinflußte Steuerglied 6 eine Zurücknahme der Amplitudenhöhe des Hilfssignals z\ bis die Stabilität wieder erreicht ist.

Um mit den Grenzen der Totzone immer möglichst nahe an der Stabilitätsgrenze zu bleiben, wie es für den optimalen Betrieb des Reglers erforderlich ist, wird mit Hilfe eines im Steuerglied 6 vorgesehenen Zeitglieds in periodischen Abständen die Amplitude des Hilfssignals z' so lange schrittweise erhöht, bis Instabilität eintritt und dann um einen Schritt zurückgenommen.

Je nach Art der Störeinfiüsse ist das in dem Hilfssignalgenerator 7 erzeugte Hilfssignal z' beispielsweise eine Folge von Rechteckimpulsen, deren Amplitude veränderlich ist oder im Falle eines verrauschten Eingangssignals x_w ein künstlich erzeugtes Rauschen, dessen Rauschpegel veränderlich ist.

Fig. 2: Hier ist eine besonders einfache und aus handelsüblichen logischen Bausteinen aufgebaute Schaltung des Steuerglieds 6 dargestellt.

Das Stellsignal y des Reglers 1 nach Fig. 1 wird zwei monostabilen Kippstufen 8 und 8' zugeführt, wo-

ΔΟ

DlJ

bei die erste Kippstufe 8 für die positiven Stellimpulse y +, die zweite Kippstufe 8' für die negativen Stellimpulse y — empfindlich ist. Die Ausgänge der Kippstufen 8 und 8' sind mit den Eingängen eines logischen UND-Gliedes 9 verbunden, dessen Ausgang mit dem subtrahierenden Eingang eines digitalen Zweirichtungszählers 10 verbunden ist. Mit dem addierenden Eingang des Zweirichtungszählers 10 ist ein Impulsgeber 11 verbunden, welcher in einstellbaren Zeitabständen einen den Inhalt des Zählers 10 um Eins erhöhenden Impuls abgibt.

Der Zweirichtungszähler 10 steuert den Signalgenerator 7, der das Hilfssignal ζ erzeugt derart, daß die Amplitude bzw. der Pegel des Hilfssignals ζ dem jeweiligen Inhalt des Zählers 10 proportional ist.

Funktion: Die Kippstufe 8 wird durch einen positiven Stellimpuls y+ gesetzt. Tritt während der Haltezeit der Kippstufe, die beispielsweise 2 see betrage, auch ein negativer Stellimpuls y— auf, der die Kippstufe 8' setzt, so ist das ein Kriterium für das Überschreiten der Stabilitätsgrenze, die Torschaltung 9 schaltet durch, der Inhalt des Zweirichtungszählers 10 wird um Eins verringert, die Amplitude des Hilfssignals ζ wird um einen einer Zähleinheit entsprechenden Betrag vermindert, die Grenzen der Totzone befinden sich wieder innerhalb der Stabilitätsgrenzwerte.

Um auch bei Verringerung der Störeinflüsse diese Optimierung aufrechtzuerhalten, wird in bestimmten von den Parametern der Regelstrecke abhängender

ίο Zeitabständen, beispielsweise 60 see, ein den Zählerinhalt um Eins erhöhender Impuls aus dem Impulsgeber 11 gegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich se lange, bis das Instabilitätskriterium in den Kippstu fen 8 und 8' wirksam wird und die Amplitude de!

Hilfssignals ζ um einen Schritt zurückgenommei wird. Werden die Haltezeiten der beiden Kippstufen ί und 8' unterschiedlich eingestellt, beispielsweise 2 sei bei Kippstufe 8 und 10 see bei Kippstufe 8', so kam durch diese Maßnahme eine vorhandene Getriebelosi im unterlagerten Regelkreis zum großen Teil elimi niert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Schrittregelung mittels eines Dreipunktschalters mit einsteilbarer Totzonenbreite, dadurch gekennzeichnet, daß zur selbsttätigen Einstellung der Totzonenbreite in Abhängigkeit von dem Eingangssignal überlagerten Störgrößen, dem Eingangssignal ein periodisches Hilfssignal (z') mit schrittweise veränderbarer Amplitude additiv aufgeschaltct wird und daß bei Überschreiten der Stabilitätsgrenze des Reglers die Amplitude verringert wird und daß in bestimmten Zeitabständen die Amplitude schrittweise bis zum Eintreten der Instabilität erhöht und dann um einen Schritt zurückgenommen wird, wobei als Kriterium für die einsetzende Instabilität ein Umkippen des Vorzeichens der Ausgangsgröße des Dreipunktschalters dient.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine erste monostabile Kippstufe (8), die mit dem Ausgang des Dreipunktschalters (4) verbunden und für dessen positive Stellimpulse (y + ) empfindlich ist,

eine zweite monostabile Kippstufe (8'), die mit dem Ausgang des Dreipunktschalters (4) verbunden und für dessen negative Stellimpulse (y~) empfindlich ist,

ein UND-Glied (9), dessen Eingänge mit den Ausgängen der Kippstufen (8,8') verbunden sind,

einen digitalen Zweirichtungszähler (10), mit dessen subtrahierendem Eingang der Ausgang des UND-Glieds (9) und mit dessen addierendem Eingang ein Impulsgeber (11) verbunden ist,

einem Signalgenerator (7) zur Erzeugung des Hilfssignals (zO, dessen Amplitudenhöhe in Abhängigkeit vom Inhalt des Zweirichtungszählers (10) steuerbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeiten der Kippstufen (8 und 8') unterschiedlich sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (7) Rechteckimpulse erzeugt, deren Amplitude von dem Inhalt des Zählers (10) abhängig ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (7) ein Rauschsignal erzeugt, dessen Rauschpegel vom Inhalt des Zählers (10) abhängig ist.