DE2903819A1 - Hybride kaskadenregelung mit mikrocomputer fuer ein antennennachfuersystem - Google Patents

Hybride kaskadenregelung mit mikrocomputer fuer ein antennennachfuersystem

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Description

  • Titel: HYBRIDE FASK}.DENREC-ELUNG MIT MIKROCOMPUTER
  • FÜR EIN ANTENNENNACHFÜHRSYSTEM Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft eine hybride Kaskadenregelung mit Mikrocomputer mit einer inneren analogen Regelschleife una einer äußeren digitalen Regelung. Diese hybride Kaskadenregelung ist in vielen industriellen Bereichen für Positionierung an Werkzeugmaschinen, Lagerregelungen anwendbar. Sie wird hier am Beispiel eines Antennennachführsystems wegen aller Übersichtlichkeit gezeigt.
  • Zweck: Für die Automatisierung in industriellen Anlagen, zur Lagerregelung wie auch auf dem technischen wissenschaftlichen Bereich für di präzise Nachführsysteme für Antennen gebraucht, die durch Kaskadenregelungen realisiert werden können.
  • Stand der Technik: Es ist bekannt, daß zur Erfüllung dieser Aufgab Kaskadenregelungen in rein analoger Technik bei industriellen Prozessen angewandt werden, oder wie im wissenschaftlichen Bereich bei Radioteleskopen für die äußere ein Großrechner als digitaler Regler eingesetzt wird.
  • Kritik des Standes: Dies hat im ersten Fall den Nachteil, daß mit dem rein analogen System keine hohe Präzision zu erreichen ist und im zweiten Falle für den Großrechner ein hoher AufwmQan Kosten und Raunbedarf erforderlich wird, was bei Dezentralisierung in der industriellen Automatisierung, wie auch im technisch wissenschaftlichen Bereich wo man zuweilen fahrbare hochpräzise Antennennachführsysteme braucht, von erheblichen Nachteil ist.
  • Aufgabe: Der Erfindung liegt aie Aufgabe zugrunde, eine hybride Kaskadenregelung zu realisieren, die für Lage- und Positionierung in der industriellen Praxis, wie für den technisch wissenschaftlichen Bereich für Antennennachführsysteme mit Winkellagerregelungen hochpräzise Regelsysteme ergeben, wobei der Kostenaufwand und der Raumbedarf ein Minimum sein soll.
  • Lösung: Dies Aufaahe wird erfindungsgemäß dadurch aelöst, daß eine hyhride Kaskadenregelung hardwaremäßig relalisiert wird, die in der inneren analogen Schleife mit einen Operationsverstärker als Kompaktregler aufgebaut ist und für die äußere dieitale Regelschleife ein Mikre computer als digitaler Regler eingesetzt wird, der geringen Aufwand an Kosten und Raum benötigt.
  • Dieser Svstemaufbau ergibt ein schnelles und präzises Regelsvstem, da die innere analoge Regelschleife sehr schnell und die äliRere digitale Regelschleife sehr aenau arbeitet s. Bild 1) Das Prinzin dieser hybriden Kaskadenregelung st auch auf Svsteme höher als fünfter Ordnung anwendbar, man muß darn mehrere innere analoge Regelschleifen aufbauen nie äußere digitale Reaelschleife wird dann whenfalls mit einem Mikrocomputer aufgebaut, in dem im allgemeinen Fall der PTD-Regelalgorithmus eingegeben wird, der dann auf das spezielle Problem der inneren Schleifen angenaßt wird.
  • Der Systemaufhau und die Optimierung der hybriden Kaskadenregelung mit Mikrocomputer sind nachfolgend genau beschriehen, wehei das gezeiete prirzin nicht nur auf zweischleifige Regelsvsteme beschränkt ist.
  • weitere Ausgestaltung der Erfindung Systemaufbau der hybriden Kaskadenreglung Da die Prinzipien der Regelung und ihr Aufbau für beide Bewegungsachsen (Elevation und Azimut) des Antennennachführsystems gleich sind, genügt es, hier nur ein Achsensystem zu betrachten. Dies soll das Regelungssystem der Elevationsachse sein. Alle Überlegungen sind direkt auf die Azimutachse zu übertragen. Damit beide Systeme unabhängig von~einander arbeiten können, ist für die Regelung je ein eigener Mikrocomputer vorhanden.
  • Das Antennennachführsystem besteht aus der Antenne mit dem Elevationsgetriebe, einem Gleichstromnebenschlußmotor als Antrieb und je nach Stromversorgung einem Thyristorsteller als Leistungsverstärker (Bild 1).
  • Um eine hohe Präzision und Störunterdrückung zu erreichen, wird eine Kaskadenregelung aufgebaut: > Drehzahlregelung für die Winkelgeschwindigkeit der Antenne in der in -neren analogen Regelschleife.
  • # Digitale Winkellageregelung mit Mikrocomputer für die äußere Regelschleife mit digitaler Winkelerfassung.
  • Der Winkel wird mit einem digitalen Winkelgeber erfaßt, der 16 bit pro Winkellage im Hexadezimalkode abgibt, und zwar 8 bit für die Stellen vor dem Komma und 8 bit nach dem Komma. Der digi-0 30 03 tatt 6 t elwert wird parallel über die A- und B-anäle der PIA 1 eingegeben, die beide mit einer logischen "O" auf Eingang programmiert sind. Der Nachführfehler kann dann auch auf bewegliche Ziele auf l/loo Grad begrenzt werden.
  • Die Kaskadenregelung bewirkt mit der inneren Regelschleife für die Winkelgeschwindigkeit eine schnelle Erfassung der Störung, wie Windböen oder Schneelast die an der Elevationsachse als Störmoment M1 = z (s. Signalflußdiagramm des Antennennachführsystems, Bild 2) wirksam wird Dieses Störmoment ergbit eine Drehzahländerung, die von dem Tachodynamo an der Elevationsachse erfaßt und dem Regler der inneren Schleife zugeführt wird. Das Ergebnis ist, daß die Störung in der äußeren Schleife und damit in ihrer Wirkung auf die Winkellagenicht voll wirksam werden kann, da sie bereits in der inneren Regelschleife für die Winkel.
  • geschwindigkeit #E bekämpft wird.
  • Die innere Regelschleife soll, wie oben festgestellt, als analoger Regelkreis mit einem Operationsverstärker als Regler aufgebaut werden, die äußere Schleife fü: die Winkellage als DDC-Regelkreis mit einem Mikrocomputer. Der Vorteil dieser hybriden Kaskadenregelung liegt darin, daß der innere, analoge Regelkreis schnelle und der äußere, digitale Regelkreis sehr präzise arbeitet.
  • Auch im Systemaufbau der Hardware bringt die hybride Kaskadenregelung Vorteile.
  • Der Ausgang des Mikrocomputers mit seinem niedrigen Leistungsniveau braucht nicht auf die hohe Ansteuerleistung des Thyristorstellers gebracht zu werden. Über die PIA 2, die mit der logischen "1" auf Ausgang programmiert ist, wird die dig-lale StellgrivLe Yi der äußeren Regelschleife auf de D'½k-wandler gegeben, der daraus die analoge Führungsgröße wc; für den inneren Regelkreis bildet (Bild 1 und 2). Da der innere Regelkreis mit dem Operationsverstärker als Regler auf dem Spannungsniveau von lo V arbeitet, ist keine Anpassung erforderlich.
  • Die PIA 3 in Bild 1 ist für die Eingangssignale der Nachführung (Tracking) vorgesehen. Der Mikrocomputer übernimmt über PIA 3 die Signale von der Antenne und berechnet daraus laufend die Führungsgröße w. Andererseits ist auch eine Vorgabe der Führungsgröße w über die ACIA mit dem Teletype möglich.
  • Optimieren der hybriden Kaskadenregelung Das Signaldiagramm des Antennennachführsystems ist in Bild 2 mit allen Systemgrößen dargestellt. Die Systemreduktion ist dabei bereits durchgeführt, wie dies bei der DDC-Antriebsregelung nach (1) gezeigt wurde. Die Optimierung der Kaskadenregelung wird mit der inneren Schleife begonnen. Für beide Regelschleifen soll die Betragsoptimierung angewandt werden.
  • Optimieren der inneren Regelschleife In Bild 3 ist die innere Regelschleife zusammen mit dem Operationsverstärker als Regler nochmals dargestellt.
  • Das System ist 2. Ordnung, dabei ist die Thyristorkonstante TT = Tmin = o,2 s und die Hauptzeitkonstante des Systems T5 = 2,2 s. Die komplexe Übertragungsfunktion für das System lautet: Der Streckenübertragungsfaktor berechnet sich zu: Darin ist KT der Übertragungsfaktor für den Thyristor, K der des Motors mit Ge-5 triebe und Antenne und K ist die Konstante des Tachodynamos. Wenn der Tachodynamo bei maximaler Winkelgeschwindigkek Uv = lo V eine maximale Reglerausgangsspannung UR = lo V ergibt, dann ist der Übertragungsfaktor des Systems Ksl = l Für das System 2. Ordnung ist für die Betragsoptimierung Fall 2 nach (2) anzuwenden. Es muß ein Proportional.Integralregler eingesetzt werden: Die Regelkonstante für den Regler lauten: Reglerverstärkung Nachstellzeit Mit diesen Werten kann nun die Beschaltung des Operationsverstärkers als analoger Pl-Regler berechnet werden. Es wird von einem Eingangswiderstand R = e lo k ausgegangen. Dann wird der Rückwiderstard Ra aus der Reglerverstärkung berechnet Aus der Nachstellzeit Tn1 = RaCa errechnet sich der Integrierkondensator Ca zu : Optimierung der äußeren digitalen Regelschleife für die Winkellage Die äußere Schleife ist ein Integralsystem da der Winkel a das Integral der Winkelgeschwindigkeit CA> der Elevationsachse ist. Die Integriezeitkonstante des Systems ist: TId 1 s.
  • Die äußere Regelschleife soll ebenfalls betragsoptimal ausgelegt werden. Dazu wird für die zuvor optimierte innere Regelschleife die betragsoptimale Ersatzfunktion bestimmt. Damit wird für die Optimierung die innere Regelschleife auf ein Systemelement im Signalflußdiagramm für die Optimierung der äußeren digitalen Regelschleife reduziert (s.'Bild 4). Hiermit ist die Kaskadenregelung für die Optimierung auf eine einschleifige DDC-Regelung zurückgeführt.
  • Die betragsoptimale Ersatzfunktion für die innere Regelschleife lautet: mit Damit erhält man nach dem Signalflußdiagramm (Bild 4) für die äußere Regelschleife ein Integralsystem 1. Ordnung: mit Bei der Betragoptimierung des Integralsystems 1 Ordnung muß Fall 4 nach (2) angewandt werden. Als Regelfunktion wird ein reiner P-Algorithmus benötigt. Dieser P-Anteil ergibt. zusammen mit dem Integralanteil des Antennennachführsystems ein PI Verhaltens so daß auch in der äußeren Regelschleife der Regelfehler nach einer hinreichenden Ausregelzeit zusammen mit der Präzision der digitalen Regelung zu Null gemacht wird.
  • Die Regelverstärkung für den äußeren DDC-Regelkreis lautet: Ablaufdiagramm und Grundlagen der Programmierung Für die DDC-Regelung der äußeren Schleift des Elevationswinkels kann bei der Programmierung grundsätzlich vom allgemeinen PID-Regelalgorithmus ausgegangen werden, in dem der Integral und Differentialanteil zu Null gemacht wird. Dann hätte man die erforderliche rein proportionale Regelung.
  • Der Regelalgorithmus, der hier gleich in diskresierter Form angegeben werden soll lautet dann : y = Kp2Xdi (lo) Das Ablaufdiagramm der hybriden Kaskadenregelung (Bild 5) zeigt sowohl die digitale Regelung nach obiger Gleichung als auch die analoge Regelung der inneren Schleife für die Winkelgeschwindigkeit.
  • Bei Antennennachführsystemen kann die Führungsgröße extern über den ACIA eingegeben oder, falls ein Ziel automatisch verfolgt wird, von der Antenne direkt über die PIA 3 übernommen werden. Es sei kurz darauf hingewiesen, daß der Mikrocomputer aus den Antennensignalen der Lage des Flugkörpers die Führungsgröße noch errechnen muß.
  • Es wird dann der Elekvationswinkel α als Regelgröße x direkt in 16 bit parallel vom Winkellagegeber über die PIA 1 übernommen. Dabei soll die Abtastzeit TS = 10ms betragen Aus der Führungsgröße w und der Regelgröße xi wird in der MPU die Regeldifferenz xdi berechnet. Die Multiplikation mit der optimalen Regelverstärkung I<p2 ergibt die Stellgröße y des Mikrocomputers die über PIA 2 an den D/A-Wandler ausgege] geben wird.
  • Der Ausgang des D/A-Wandlers (s. Systemaufbau, Bild 1) ist die Führungsgröße des inneren analogen Regelkreises für die Winkelgeschwindigkeit der Elevations achse, Der innere analoge Regekreis arbeitet, wie zuvor gezeigt wurde, betragsoptimal mit einem PI-Regler, der über den Thyristorsteller das System ansteuert.
  • Das Ablaufdiagramm (Bild 5) zeigt das Prinzip der hybriden Kaskadenregelung 3ir gl% levationsa-chse. Fur di-e Azimutachse gelten bis auf andere Systemdaten der Systemaufbau und das gleiche Ablaufdiagramm.
  • Grundsätzlich wäre es möglich, für die äußeren DDC-Regelkreise der Azimut- und Elevationsachse einen gemeinsamen Mikrocomputer einzusetzen, aber aufgrund des vertretbaren Aufwands an Raum und Kosten sollte man für jede Achse einen Mikrocomputer vorsehen. Dadurch erhält man hardwaremäßig eine gute Austauschbarkeit und softwaremäßig eine Entkopplung der Achsen, die eine übersichtliche Programmierung ermöglicht.
  • Schrifttum 1. Dittmar, E.: Optimieren von DDC-Regelungen mit dem Mikrocomupter, Teil 1: Systemaufbau, elektrotechnik 60 (1978) 5, S. 12-15 2. Dittmar, E.: Optimieren von DDC-Regelungen mit dem Mikrocomputer, Teil 2: Der optimale PID-Regelalgorithmus und Grundlagen der Programmierung, elektrotechnik 60 (1978)8, S. 16-21 3. Dittmar, E.: Hybride Kaskadenregelung mit Mikrocomputer, elektcrotechnik, erscheint im Frühjahr 1979 Erzielbare Vorteile: Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die hybride Kaskaden regelung mit dem inneren analogen Regelkreis irit Operationsverstärker als Regler sher schnell ist und daß der äußere digitale Regelkreis nit einem Mikrocorputer, auf dem die optimale Regelfunktion als PID-Algorithmus nachgebildet wird, sehr schnell arbeitet.
  • Der besondere Vorteil im Hardwaraufbau der hybriden Kaskadenregelung liegt darin, daß der Regler für die innere Schleife durch en Operationsverstärker realisiert werden kann und daß für die äußere Schleife ein Mikrocomputer und zur digitalen Erfassung der Regelgröße ein PIA (Perepheral Interface Adapter) eingesetzt wird. Dadurch wird eine hohe Präzision mit geringem Aufwand an Raum und Kosten erre zht Dabei kann im Gegensatz zum Großcomputer als DDC-Regler der Mikrocomputer wie eine normale Reglerkarte ausaetauscht werden. Dies erleichtert die Wartung und ergibt im Störung fall eine schnelle Fehlerbeseitigung.

Claims (3)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. H@bride kaskadenregelung mit Mikrocomputer für für ein Antennennachführsystem dadurch gekennzeichnet, daß fir die innere analoge Regelschleife ein Operationsverstärker der im allgemeinen Fall als PID-Realer in kompaktschaltung ausgeführt sein kann, einaesetzt wird und das System schnell macht und daß für die äußere digitale Regelschleife ein Mikrocomputer mit PID-Algorithmus einqqsetzt, so daß für das gesamte Regelsvstem neben der Schnelligkeit auch eine hohe Präzision erreicht wird. Dies Prinzip ist nicht nur auf Antennennachführsysteme anwendbar, sondern der Patentanaspruch bezieht sich auch auf hybride Kaskadenregelungen mit Mikrocomputer für Positionterunas- und Lagerreaeiungen in der industriellen Praxis.
  2. Unteransprüche: 2. Frfassung der Regelgröße dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße x digital über den PTA mit 16 bit parallel erfaßt wird und es so eine hohe Auflösuna der Regelgrbße eraibt, die die Grundlage für eine hohe Präzision der Regelung ist.
  3. 3. Ansteueruna der inneren Regelschleife dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker als Regler der inneren analogen Reqeischleife auf Grund seines geringen Leistungsbedarfs über die Peripherie des Mikrocomputers direkt angesteuert werden kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3707770A1 (de) * 1987-03-11 1988-09-22 Bosch Gmbh Robert Lageregelung zur reaktionsschnellen positionierung mit einem gleichstromservomotor
FR2626364A1 (fr) * 1988-01-25 1989-07-28 Nantes Ecole Nale Super Meca Dispositif de mesure de position et de vitesse d'axes motorises par echantillonnage a partir d'un microordinateur
WO2020104664A1 (de) 2018-11-23 2020-05-28 Wobben Properties Gmbh Reglerstruktur und regelverfahren für eine windenergieanlage

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