DE2822995A1 - Regler mit gleichfoermigen stellimpulsen - Google Patents

Regler mit gleichfoermigen stellimpulsen

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DE2822995A1
DE2822995A1 DE19782822995 DE2822995A DE2822995A1 DE 2822995 A1 DE2822995 A1 DE 2822995A1 DE 19782822995 DE19782822995 DE 19782822995 DE 2822995 A DE2822995 A DE 2822995A DE 2822995 A1 DE2822995 A1 DE 2822995A1
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pulse
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DE19782822995
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Paul M Prof Dr Ing Frank
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Frank paul M profdr-Ing
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Frank paul M profdr-Ing
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00Control of position or direction
    • G05D3/12Control of position or direction using feedback
    • G05D3/14Control of position or direction using feedback using an analogue comparing device
    • G05D3/16Control of position or direction using feedback using an analogue comparing device whose output amplitude can only take a number of discrete values
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00Automatic controllers
    • G05B11/01Automatic controllers electric
    • G05B11/26Automatic controllers electric in which the output signal is a pulse-train
    • G05B11/30Automatic controllers electric in which the output signal is a pulse-train using pulse-frequency modulation

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Description

  • Regler mit gleichförmigen Stellimpulsen
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler mit gleichförmigen Stellimpulsen, deren Vorzeichen und Häufigkeit von einer Eingangsgröße gesteuert werden.
  • Unter einem Stellimpuls wird hier jede Art einer quantisierten physikalischen Größe von endlicher Zeitdauer verstanden, die dem Zweck der Steuerung einer Regelstrecke dient.
  • Regler dieser Art liegen bekanntlich immer dann vor, wenn die Stellenergie nicht kontinuierlich, sondern in quasi-gleichbleibenden Energiequanten abgegeben wird. Bekannte Beispiele sind Düsenpaare mit Brennkammern zur Lageregelung von Raumfahrzeugen, Schrittmotoren, Kolbenmotoren.
  • Die vorbekannten Regeleinrichtungen dieser Art, die fälsohlicherweise vielfach pulsfrequenzmodulierende (PFM-) Regler genannt werden, arbeiten streng genommen nicht mit Pulsfrequenzmodulation sonder mit Pulsabstandsmodulation. Dabei wird ausgeschlossen, daß ein Impuls beliebigen Vorzeichens vor Beendigung des vorangehenden Impulses ausgelöst werden kann. Dies hat den Nachteil, daß ein Regelkreis von einem vorgegebenen Zustand aus nicht in jeden gewünschten anderen Zustand gebracht werden kann, oder umgekehrt, daß ein bestimmter Zustand nicht von jedem beliebigen anderen Zustand aus erreichbar ist. Es gibt vielmehr Zustandsbereiche, die mit PFM-Reglern der konventionellen Art nicht erreichbar sind oder von denen aus ein bestimmter anderer Zustand nicht erreicht werden kann. Man spricht hier von beschränkter Steuerbarkeit, die durch die Quantisierung der Stellenergie bedingt ist.
  • Ein weiterer Nachteil der konventionellen, fälschlich pulsfrequenzmodulierend genannten Regler besteht darin, daß bei Erreichen des stationären Zustandes der Regelkreis in der Regel sogenannte Grenzzyklen, d.h.
  • nichtlineare Dauerschwingungen um den Sollwert, ausführt. Auch diese Grenzzyklen sind dadurch bedingt, daß die Wirkung der Stellgröße auch nach Erreichen des Sollwerte, noch weiterhin gequantelt bleibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile pulsfrequenzmodulierender Regler zu beseitigen und zwar derart, daß jeder ge wünschte neue Sollzustand von einem gegebenen her exakt erreicht werden kann, und daß ferner Grenzzyklen um den Sollzustand unterdrückt werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß in der Regeleinrichtung ein Pulsfrequenzmodulator mit folgenden Eigenschaften vorgesehen wird: Bei gleichgerichteten Impulsen wird die Mindestzeit für das Auslösen des nächsten Impulses wie bisher auf mindestens eine Impulsbreite beschränkt, bei Impulsen mit wechselnder Richtung wird diese Beschränkung aber aufgehoben, so daß ein entgegengesetzter Impuls beliebig kurze Zeit nach dem Beginn des vorangehenden Impulses ausgelöst werden kann. Kommt die Eingangsgröße des Reglers in eine bestimmte Toleranz um Null, werden keine Impulse mehr erzeugt.
  • Dadurch, daß man die Beschränkung der Auslösezeit bei Richtungswechsel aufhebt, erreicht man bei Verwendung dieser Regeleinrichtung in einem stabilen Regelkreis bei Annäherung an den stationären Zustand eine zunehmend stärkere Überschneidung entgegengesetzter Impulse. Im Bereich der berschneidung heben sich ihre Wirkungen auf, so daß im Endeffekt zwei verschobene, entgegengerichtete Impulse verminderter Stärke wirksam bleiben. Die effektiven Impulsstärken werden um so kleiner, in je kürzeren Abständen die Auslösezeitpunkte aufeinander folgen. Es findet so eine Entquantisierung der Wirkung auf die Regelstrecke statt. Sie führt schließlich zu einem sanften Erreichen jedes gewünschten Zustands ähnlich wie bei kontinuierlicher Regelung und vermeidet das Auftreten von Grenzzyklen. Außerdem spart sie Stellenergie, weil nach Erreichen des Sollzustands die Impulserzeugung eingestellt wird.
  • Zweckmäßigerweise kann man dies durch Anwendung einer echten Frequenzmodulation erreichen. Eine mögliche Ausführung besteht aus einer Anordnung von Funktionseinheiten mit den folgenden Eigenschaften: Zunächst wird aus dem Eingangssignal durch eine lineare oder nichtlineare Operation ein modifiziertes Signal erzeugt. Z.B. kann man aus Gründen, die später erläutert werden, das Eingangssignal durch eine Begrenzungskennlinie auf bestimmte Maximalwerte begrenzen. Das modifizierte Signal moduliert die Frequenz eines Sägezahngenerators um die Trägerfrequenz Null. Der Modulator liefert Sägezahnschwingungen mit, je nach Vorzeichen des modifizierten Signals, positiven bzw.
  • negativen Sprüngen (Anstiegen bzw. Abstiegen), deren Zeitpunkte vom Betrag des modifizierten Signals abhängen. Dem Frequenzmodulator wird ein Stellglied nachgeschaltet, das z.B. aus zwei Antriebssystemen entgegengesetzter Richtung bestehen kann. Es löst bei Auftreten der Sa..gezahnsprünge Impulse einer festen Kurvenform aus, deren Richtung vom Vorzeichen der Sägezahnsprünge abhängt. Durch die oben erwähnte Modifikation des Eingangssignals mittels der Begrenzungskennlinie kann erreicht werden, daß gleichgerichtete Impulse nie vor Ablauf des vorangehenden Impulses ausgelöst werden, während jedoch bei Vorzeichenumkehr die Auslösezeiten der Impulse keinerlei Beschränkung unterliegen.
  • Es ist andererseits auch möglich, das beschriebene Verhalten durch analoge, digitale oder hybride Schaltungen, z.B. mittels Microprozessoren in Kombination mit einer Leistungsstufe, zu verwirklichen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, ein mathematisches Modell für das gesamte Verhalten zu entwickeln. Ein solches sieht zunächst eine zeitliche Integration des modifizierten Eingangssignals vor. Aus dem integrierten Signal wird eine Sägezahnschwingung gebildet, in der das integrierte Signal als Phase auftritt. Die Sägezahnschwingung wird von dem geeignet normierten und integrierten Signal selbst subtrahiert, so daß eine Stufenfunktion entsteht, die folgende Eigenschaften besitzt: Die Stufenhöhen sind konstant, z.B. gleich 1. Die Stufenfrequenz ist eine Funktion des Betrags des modifizierten Eingangssignals, die Richtung der Stufen ist eine Funktion seines Vorzeichens. In einem nachgeschalteten Formglied oder Stellglied werden aus den Sprüngen Impulse der gewünschten Form gebildet.
  • Man kann die gewünschte Entquantisierung bei Annähern des stationären Zustands auch mit Pulsabstandsmodulation erreichen, allerdings wird das Verfahren dabei wesentlich komplizierter als das oben beschriebene.
  • Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Reglers, das zur Darstellung besonders geeignet ist.
  • Ein Eingangssignal e(t) bei 1, z.B. die Regelabweichung bei einer Lageregelung, wird durch ein Eingangselement 2 verformt. Das Eingangselement kann eine statische, lineare oder nichtlineare Kennlinie f(e(t)) besitzen, aber auch dynamische Komponuten enthalten. Zwei wichtige Beispiele für nichtlineare an sich bekannte Kennlinien des Eingangselements sind die in Fig. 2 qualitativ dargestellten Kennlinien der Begrenzung (1) und der Begrenzug mit Unempfindlichkeitsbereich (Totzone) (b). Verwendet man die Kennlinie (1), so kann man die begrenzung + A so einrichten, daß selbst bei beliebig großen Eingangssignalen ein Impuls am Ausgang 13 nie vor Beendigung seines Vorgängers ausgelöst werden kann, sofern beide Impulse gleiche Richtung haben. Man kann durch Verringerung von A auch noch einen zusätzlichen Mindestabstand der Impulse vorsehen, wie er z.E. bei Düsen benötigt wird, deren Brennkammern eine bestimmte Füllzeit beanspruchen. DYe Kennlinie (b) erfüllt die g]ei hen Forderungen wie (a), darüberhinaus gestattet sie aber noch eine Unterdrückung kleiner Signale, wie etwa von Meßrauschen, das keine Stellaktionen auslösen soll. Die Größe der Unempfindlichkeitsschwelle kann durch geeignete Wahl von C vorgegeben werden. Bei 3 erhält man ein modifiziertes Signal, das mit geeigneter Normierung in einem Integrierer 4 über der Zeit t integriert wird. Die Integration kann kontinuierlich, d.h.
  • fortlaufend, oder zeitdiskret, d.h. in Schritten durch numerische Summenbildung, verwirklicht werden. Man erhält ein integriertes Signal 5, dessen Bedeutung für die weiteren Operationen die eines Phasenwinkels ist. Es wird daher hier mit a(t) bezeichnet. In einem Übertragungsglied 6 wird a(t) mit einem konstanten Faktor 1/n multipliziert, so daß ein Signal 8 entsteht. Ferner bildet a(t) den Phasenwinkel einer Sägezahnschwingung 9, die ein Sägezahnoszillator 7 abgibt. Seine Ausgangsgröße 8 wird mit ser a(t) bezeichnet. Den Verlauf von ser a, abhängig von a, zeigt Fig. 3. Die Signale 8 un 9 werden in einer Differenzstufe 10 voneinander subtrahiert. Daraus wird ein Signal 11 gewonnen, das die Form einer Stufenkurve besitzt mit Sprüngen der Höhe 2 bei a = + n(2k-1), k ganzzahlig. In einem Impulsformglied 12 werden aus den Stufensprüngen der Stufenkurve Impulse gleicher Form gebildet. Hierzu muß das Impulsformglied eine Gewichtsfunktion erhalten, die gleich einer mit 0,5 multiplizierten abgeleiteten Funktion g(t) ist, wobei g(t) die Kurvenform eines Impulses beschreibt. Sollen die Impulse der Ausgangsgröße 13 z.B. rechteckförmig mit der Höhe M und der Breite y sein, so muß das Impulsformglied einfach die Differenz zwischen dem mit M/2 multiplizierten Signal 11 und dem mit m/2 multiplizierten um y verschobenen (verspäteten) Signal 11 bilden.
  • Technisch kann es sich bei dem Impulsformglied 12 auch um zwei getrennte entgegengesetzt wirkende Stellsysteme handeln, die die positiven und negativen Ausgangs impulse getrennt erzeugen. Beispiele hierfür sind zwei gegeneinander wirkende Düsenpaare bei Lageregelungen von Raumfahrzeugen oder die beiden gegensinnig wirkenden Wicklungen von Schrittmotoren bei Positionsregelungen.
  • Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist in Fig. 4 und Fig. 5 veranschaulicht.
  • Fig. 4 zeigt zunächst einen möglichen zeitlichen Verlauf des Signals 3, f(e(t)). Dabei sei durch eine Begrenzungsfunktion f dafür gesorgt, daß keine Überschneidungen gleichgerichteter Impulse des Ausgangssignals u(t) bei 13 auftreten können. Es ist dann gezeigt, wie über die Zwischenstationen a(t)/n , ser a(t) und (a(t)/E) -ser a(t) die Ausgangsimpulsfolge u(t) bei 13 entsteht, die dem angenommenen Verlauf des Eingangssignals e(t) entspricht. Man erkennt, daß die Häufigkeit der hier als rechteckförmig angenommenen Impulse der Ausgangsgröße u(t) dem Betrag von echt) entspricht, während ihre Polarität gleich dem Vorzeichen von e(t) ist. Der hauptsächliche Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß bei Impulsen mit Richtungsumkehr eine Überschneidung der Impulse und damit eine Entquantisierung ihrer Wirkung auf die Regelstrecke möglich ist. Dies ist in Fig.
  • 5 für rechteckförmige Impulse der Höhe M und Breite y veranschaulicht. Angenommen, der Verlauf von a(t) ist hinreichend flach, wenn er eine der Schranken + w(2k-1) passiert. Dies trifft z.B. für einen stabilen Lageregelkreis in der Nähe des stationären Zustands zu. Dann wird der ausgelöste Impuls den Verlauf von a(t) über die Rückkopplung des Regelkreises bereits vor Ablauf der Impulsbreite y zum Umkehren und erneuten Passieren der Schranke + w(2k-1) zwingen. Es wird jetzt ein entgegengesetzter Impuls ausgelöst, dessen Wirkung sich mit der Wirkung des vohergehenden im Bereich der Oberschneidung aufhebt. Im Endeffekt bleibt die Wirkung zweier entgegengesetzt gleicher Impulse der Höhe M, im Abstand y - Ti, deren Breite t. aber kleiner als y ist. Je mehr sich die Regelabweichung dem Wert Null nähert, desto schmaler weiden die wirksamen Impulse, um bei Erreichen einer bestimmten unteren Schranke schließlich ganz zu verschwinden. Dann werden überhaupt keine Impulse mehr ausgelöst. Dadurch wird erreicht, daß der Regelkreis sanft in den stationären Zustand einläuft, jeden Zustand von jedem anderen Zustand aus erreichen kann und keine Grenzzyklen durch Quantisierungseffekte der Stellenergie mehr auftreten können. Für den praktischen Betrieb bedeutet dies darüberhinaus noch eine Ersparnis an Stellenergie, was z.B. bei der Lageregelung von Raumfahrzeugcn ein ganz wesentlicher Gesichtspunkt ist. In ähnlicher Weise funktioniert die Entquantisierung auch bei nicht rechteckförmigen Impulsen. Man erreicht damit also ein Regelkreisverhalten, das in den.Übergangsphasen die Vorteile der quantisierten Stellenergieabgabe voll ausnützt, während es in den stationären Phasen wegen des Entquantisierungseffektes einer kontinuierlichen Regelung entspricht.
  • Leerseite

Claims (7)

  1. Ansprüche 1. Regeleinrichtung mit gleichförmigen Stellimpulsen zur Erreichung und Einhaltung eines vorgegebenen Sollwertes, bei der Vorzeichen und Häufigkeit der Stellimpulse über einen Pulsfrequenzmodulator von einer Eingangsgröße gesteuert werden, d a -durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Pulsfrequenz-,odulator derart ausgebildet ist, daß folgende Merkmale erreicht werden: a) Folgt auf einen Impuls ein Impuls gleichen Vorzeichens, so wird din Nindestzeit für das Auslösen dieses Impulses auf wenigstens eine Impulsbreite beschränkt.
    b) Folgt auf einen Impuls ein Impuls entgegengesetzten Vorzeichens, so kann die Auslösung jederzeit erfolgen.
  2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Pulsfrequenzmodulator ein Oszillator mit Schwingungen hoher Flankensteilheit verwendet wird, dessen Frequenz um die Trägerfrequenz Null moduliert wird, wobei bei einem Frequenzdurchgang durch Null ein Vorzeichenwechsel der Oszillatorschwingung eintritt.
  3. 3. ?.egeleinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz der Oszillatorschwingu.lg nach oben derart begrenzt ist, daß keine Überschneidungen der Impulse eintreten.
  4. 4. liegeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a -durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Oszillator eine Frequenznodulation mit nichtlinearer Kennlinie aufweist.
  5. 5. Regeleinrichtunz nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,. daß zusätzlich dynamische ü7bertlogunsglieder vorgesehen sind.
  6. 6. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Formgebung der gleichförmigen Stellimpulse im Hinblick auf das gewünschte Regelverhalten in der Nähe des stationären Sollzustandes so ausgebildet ist, daß der Sollzustand in einem gewünschten vorgegebenen Zeitverlauf erreicht wird.
  7. 7. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Stellimpulse unterschiedlichen Vorzeichens durch mindestens zwei entgegengesetzt wirkende Stellglieder erzeugt werden.
    £. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Regelverhalten mittels analoger, dIgitaler oder hybrider Schaltkreise verwirklicht wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3527608A1 (de) * 1985-08-01 1987-02-05 Eckardt Ag Verfahren und einrichtung zur regelung einer prozessgroesse
WO1999019604A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-22 Cifa S.P.A. Automatic control system for a concrete distributing pipe in tunnel lining

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WO1999019604A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-22 Cifa S.P.A. Automatic control system for a concrete distributing pipe in tunnel lining

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