DE29722692U1 - Device for designing a control system for an oscillating line and control device - Google Patents
Device for designing a control system for an oscillating line and control deviceInfo
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Description
Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung für eine schwingungsfähige Strecke sowie Regeleinrichtung 5Device for designing a control system for an oscillating system and control device 5
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung für eine schwingungsfähige Strecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Regeleinrichtung für eine schwingungsfähige Strecke mit einem Regler, der in einem geschlossenen Regelkreis aus einer Regeldifferenz, die aus einer Führungsgröße und einer an der Strecke gemessenen Regelgröße gebildet wird, eine Stellgröße berechnet.The invention relates to a device for designing a control system for an oscillating system according to the preamble of claim 1 and to a control device for an oscillating system with a controller that calculates a manipulated variable in a closed control loop from a control difference that is formed from a reference variable and a controlled variable measured on the system.
Für den Entwurf von Reglern für aperiodische Strecken, die bei Anregung mit einer Sprungfunktion kein Schwingungsverhalten zeigen, sind zahlreiche analytische und empirische Entwurfsverfahren bekannt. Beispielsweise ist das Verfahren nach dem Betragsoptimum in dem Buch "Regelungstechnik" von Otto Föllinger, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 6. Auflage, 1990, Seiten 258 bis 261, beschrieben. Das Betragsoptimum setzt aber eine Strecke voraus, deren Verhalten durch ein Modell mit lediglich reellen Polen oder mit einer ausreichenden Dämpfung angenähert werden kann. Diese Bedingung wird von schwingungsfähigen PT2-Strecken häufig nicht erfüllt. Schwingungsfähige Strecken enthalten mindestens zwei Energiespeicher. Durch Energieaustausch zwischen den Speichern können Oszillationen entstehen. Beispiele dafür sind Feder-Masse-Systeme, Spule-Kondensator-Systeme oder elektromechanische Wandler wie Drehspulinstrumente. Ebenso können rückgekoppelte Systeme, wie z. B. Regelungen, schwingungsfähige Strecken darstellen. Wie in dem obengenannten Buch von Otto Föllinger auf den Seiten 41 bis 45 angegeben, wird eine schwingungsfähige Strecke 2. Ordnung (PT2-Strecke) durch folgende Differentialgleichung beschrieben:Numerous analytical and empirical design methods are known for the design of controllers for aperiodic systems that do not exhibit oscillation behavior when excited with a step function. For example, the method based on the absolute value optimum is described in the book "Control Engineering" by Otto Föllinger, Hüthig-Verlag, Heidelberg, 6th edition, 1990, pages 258 to 261. The absolute value optimum, however, requires a system whose behavior can be approximated by a model with only real poles or with sufficient damping. This condition is often not met by PT2 systems capable of oscillation. Oscillation-capable systems contain at least two energy storage devices. Oscillations can arise through the exchange of energy between the storage devices. Examples of this are spring-mass systems, coil-capacitor systems or electromechanical converters such as moving coil instruments. Feedback systems, such as controls, can also represent oscillation-capable systems. As stated in the above-mentioned book by Otto Föllinger on pages 41 to 45, a 2nd order oscillatory system (PT2 system) is described by the following differential equation:
GR 97 G 4464 DE „GR 97 G 4464 DE „
r-*x + 2*d*T*x + x = K*y mitK,T,d>0 Gl. (1) r-*x + 2*d*T*x + x = K*y withK,T,d>0 Eq. (1)
Dabei sind T die Zeitkonstante, die dimensionslose Zahl d der
Dämpfungsfaktor und K die Verstärkung der Strecke. y(t) beschreibt den Verlauf der Eingangsgröße und x(t) den Verlauf
der Ausgangsgröße. Hierfür ist in der Formel vereinfacht y
bzw. &khgr; geschrieben. Durch einen bzw. zwei Punkte wird die
zeitliche Ableitung der jeweiligen Größe gekennzeichnet. Aus der Differentialgleichung erhält man mittels Laplace-Transformation
die Übertragungsfunktion einer PT2-Strecke zu:Here, T is the time constant, the dimensionless number d is the damping factor and K is the gain of the path. y(t) describes the course of the input variable and x(t) the course of the output variable. For this, in the formula, y is simplified
or &khgr;. One or two dots indicate the
temporal derivative of the respective quantity. From the differential equation, the transfer function of a PT2 system is obtained using Laplace transformation:
Für d = 0 führt die Sprungantwort der Strecke eine ungedämpfte Dauerschwingung aus, für 0 < d < 1 ist die Sprungantwort eine abklingende Schwingung und für d >_ 1 ein aperiodischer Einschwingvorgang.For d = 0 the step response of the system executes an undamped continuous oscillation, for 0 < d < 1 the step response is a decaying oscillation and for d >_ 1 an aperiodic transient response.
Eine andere Dämpfung des Einschwingverhaltens erhält man,
indem zu einem PT2-Modell ein Verzögerungsglied 1. Ordnung in Reihe geschaltet wird. Die Übertragungsfunktion lautet dann:A different damping of the transient response is obtained,
by connecting a 1st order delay element in series with a PT2 model. The transfer function is then:
mit b > 0 Gl. (3]with b > 0 Eq. (3]
4t = 7 T^-, 4t = 7 T^-,
y{s) (\ + 2dTs + T2s2)*(\y{s) (\ + 2dTs + T 2 s 2 )*(\
Der Faktor b ist dabei eine dimensionslose Zahl, deren Wert größer als Null ist. Das zusätzliche Verzögerungsglied kann
beispielsweise das Verhalten eines Stellglieds oder einer
Meßeinrichtung modellieren, die für eine Regelung erforderlich sind.The factor b is a dimensionless number whose value is greater than zero. The additional delay element can, for example, determine the behavior of an actuator or a
Model the measuring device required for control.
Die Wahl eines geeigneten Modells und die Bestimmung der
Modellparameter können anhand theoretischer oder experimen-Choosing a suitable model and determining the
Model parameters can be determined using theoretical or experimental
GR 97 G 44 64 DEGR 97 G 44 64 EN
teller Verfahren erfolgen. Bei einer experimentellen Modellbildung wird die Strecke mit einer Änderung des Stellsignals y angeregt. Aus dem Einschwingverhalten der Strecke werden dann anhand von Kenngrößen oder einer numerischen Optimierung die Parameter beispielsweise eines Modells nach Gl. (2) oder (3) bestimmt. Ein für dieses Identifikationsverfahren geeignetes Entwurfswerkzeug ist z. B. das Software-Werkzeug SIEPID S5 der Siemens AG, das zur Inbetriebnahme und Optimierung von Regelungen dient.teller method. In an experimental model, the system is stimulated with a change in the control signal y. The parameters of a model according to equation (2) or (3), for example, are then determined from the transient response of the system using parameters or numerical optimization. A design tool suitable for this identification method is, for example, the software tool SIEPID S5 from Siemens AG, which is used to commission and optimize control systems.
Wenn die Identifikation ein Modell der Strecke ergibt, das einen Wert der Dämpfung d < 1 und somit ein konjugiertkomplexes Polpaar besitzt, so können bekannte Entwurfsverfahren für aperiodische Strecken nicht ohne weiteres auf den Entwurf eines Reglers für die schwingungsfähige Strecke übertragen werden. Wendet man z. B. die Einstellregeln für Reglerparameter nach dem Betragsoptimum auf diese Strecken an, so erhält man für kleine Werte von d ein instabiles Verhalten des Regelkreises. Ein Regler für schwingungsfähige 0 Strecken kann mit großem Aufwand in einem iterativen Verfahren entworfen werden, indem ausgehend von empirischen Einstellregeln die Reglerparameter manuell bis zum Erreichen einer den Anforderungen genügenden Regelgüte variiert werden oder indem eine numerische Optimierung der Reglerparameter durchgeführt wird. So entworfene Regler sind nicht immer optimal, z. B. weil der jeweilige Reglertyp keine negativen Nachstellzeiten oder Vorhaltezeiten zuläßt, weil das Einschwingverhalten für einen iterativen Entwurf zu träge ist oder weil der Regler empfindlich auf Parameteränderungen der Strecke reagiert.If the identification results in a model of the system that has a damping value d < 1 and thus a conjugated complex pole pair, then known design methods for aperiodic systems cannot be easily transferred to the design of a controller for the oscillating system. If, for example, the setting rules for controller parameters based on the optimum amount are applied to these systems, the control loop will behave unstably for small values of d. A controller for oscillating systems can be designed with great effort in an iterative process by manually varying the controller parameters based on empirical setting rules until a control quality that satisfies the requirements is achieved, or by numerically optimizing the controller parameters. Controllers designed in this way are not always optimal, e.g. because the respective controller type does not allow negative reset times or lead times, because the transient response is too slow for an iterative design, or because the controller reacts sensitively to parameter changes in the system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung für eine schwingungsfähige Strecke zu schaffen, mit der in einfacher Weise eine Regeleinrichtung mit verbesserter Regelgüte erhältlich ist.The invention is based on the object of creating a device for designing a control system for an oscillating system, with which a control device with improved control quality can be obtained in a simple manner.
GR 97 G 44 64 DE ,.GR 97 G 44 64 DE ,.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung sind in den Ansprüchen 2 und 3 genannt. Eine mit der neuen Entwurfseinrichtung erhältliche Regeleinrichtung ist in den Ansprüchen 4 und 5 beschrieben. Die Ansprüche 6 bis 9 geben vorteilhafte Ausgestaltungen der neuen Regeleinrichtung an.To solve this problem, the new device of the type mentioned at the beginning has the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments of the device are mentioned in claims 2 and 3. A control device obtainable with the new design device is described in claims 4 and 5. Claims 6 to 9 specify advantageous embodiments of the new control device.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß ein iteratives Vorgehen beim Entwerfen des Reglers für schwingungsfähige Strecken entfällt. Die erforderlichen Reglerparameter und die Übertragungsfunktion eines in den Regelkreis einzuführenden Kompensationsglieds können direkt anhand des Streckenmodells bestimmt werden. Das Verfahren läßt sich mit geringem Aufwand in bestehende Software-Werkzeuge, z. B. in SIEPID S5 der Siemens AG, integrieren. Durch Laden eines so erstellten Software-Werkzeugs auf einen geeigneten Rechner kann daher ohne besondere Schwierigkeiten die neue Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung für schwingungsfähige Strecken geschaffen werden. Die damit entworfene Regeleinrichtung ist als Analogrechenkreis durch eine elektronische Schaltung oder als digitaler Abtastregler durch Laden einer entsprechenden Software in einen Digitalregler realisierbar.The invention has the advantage that an iterative approach to designing the controller for oscillating systems is no longer necessary. The required controller parameters and the transfer function of a compensation element to be introduced into the control loop can be determined directly using the system model. The method can be integrated into existing software tools, e.g. SIEPID S5 from Siemens AG, with little effort. By loading a software tool created in this way onto a suitable computer, the new device for designing a controller for oscillating systems can be created without any particular difficulties. The control device designed in this way can be implemented as an analog computing circuit using an electronic circuit or as a digital sampling controller by loading appropriate software into a digital controller.
Das Kompensationsglied kann alternativ in eine Schleife nach Art einer Gegenkopplung oder in eine Vorsteuerung eingesetzt werden. Eine Gegenkopplungsstruktur hat den Vorteil, daß sie sehr anschaulich und für den Anwender einfach handzuhaben ist. Dagegen bietet eine Vorsteuerung eine schnellere Reaktion der Regelgröße auf Führungsgrößenänderungen in Abtastregelungen. The compensation element can alternatively be used in a loop in the form of a negative feedback or in a feedforward control. A negative feedback structure has the advantage that it is very clear and easy for the user to handle. In contrast, a feedforward control offers a faster response of the controlled variable to changes in the reference variable in sampling controls.
Wird zur Überlagerung des Kompensationssignals auf die Stellgröße die Störgrößenaufschaltung des Reglers benutzt, so sindIf the controller’s feedforward control is used to superimpose the compensation signal on the manipulated variable,
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Standardregler verwendbar. Ein stoßfreies Umschalten von Hand- auf Automatikbetrieb ist gewährleistet, wenn der Regler bei der hierzu erforderlichen Anpassung des I-Anteils auch das auf die Störgrößenaufschaltung geführte Kompensationssignal berücksichtigt. Die um das Kompensationsglied ergänzte Strecke weist ein aperiodisches Einschwingverhalten auf. Der Regler kann dadurch mit geringem Aufwand analytisch nach dem Betragsoptimum entworfen werden. Das Betragsoptimum liefert einen Regler mit guter Regelgüte, der robust gegen Parameter-Schwankungen des Streckenmodells ist. Eine bessere Robustheit gegenüber Meßwertrauschen wird erreicht, indem ein reales Vorhalteglied als Kompensationsglied eingesetzt wird. Sehr gute Ergebnisse bei Strecken mit arbeitspunktabhängigen Parametern liefert eine Regeleinrichtung, in welcher der Ver-Stärkungsfaktor Kv in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitspunktes veränderbar ist.Standard controllers can be used. A bumpless switchover from manual to automatic operation is guaranteed if the controller also takes into account the compensation signal fed to the disturbance variable feedforward when adjusting the I component required for this. The system supplemented by the compensation element has an aperiodic transient response. The controller can therefore be designed analytically with little effort according to the optimum amount. The optimum amount provides a controller with good control quality that is robust against parameter fluctuations in the system model. Better robustness against measured value noise is achieved by using a real lead element as a compensation element. Very good results for systems with operating point-dependent parameters are provided by a control device in which the gain factor Kv can be changed depending on the current operating point.
Insbesondere gegenüber einem einfachen PID-Regler liefert die neue Regeleinrichtung eine bessere Regelgüte durch schnelleres, aperiodisches Einschwingen der Regelgröße und einen ruhigeren Stellgrößenverlauf. Ein Stellglied im Regelkreis wird somit einer geringeren Belastung ausgesetzt. Durch die Beschaltung der Störgrößenaufschaltung eines Standardreglers wird eine Regelungsstruktur ähnlich einer Kaskadenregelung erzeugt, jedoch ohne einen zusätzlichen Regler oder Meßaufnehmer zu benötigen.In particular, compared to a simple PID controller, the new control system delivers better control quality through faster, aperiodic oscillation of the controlled variable and a smoother manipulated variable curve. An actuator in the control loop is therefore subjected to less load. By wiring the disturbance variable feedforward of a standard controller, a control structure similar to a cascade control is created, but without the need for an additional controller or measuring sensor.
Bei Kaskadenregelungen können unterlagerte Regelkreise mit der neuen Entwurfseinrichtung "schärfer" eingestellt werden.In cascade control systems, subordinate control loops can be set more "sharply" using the new design facility.
Störungen werden dadurch besser ausgeregelt und die Regelgüte verbessert. Ein Folgeregler muß in der Kaskadenregelung nicht mehr so weit abgeschwächt werden, daß der Führungsregler nach den bekannten Methoden für aperiodische Strecken entwerfbar ist, sondern der unterlagerte Regelkreis kann durchaus ein schwingungsfähiges Verhalten zeigen.This means that disturbances are better regulated and the control quality is improved. In cascade control, a slave controller no longer has to be weakened to such an extent that the master controller can be designed using the known methods for aperiodic systems, but the subordinate control loop can certainly exhibit oscillatory behavior.
GR 97 G 4464 DEGR 97 G 4464 EN
Wie bereits dargelegt, wird das Schwingungsverhalten einer Strecke durch die Dämpfung d beeinflußt: Für d > 1 ist das Einschwingverhalten aperiodisch, für eine sehr kleine Dämpfung dagegen stark oszillierend. Da durch das Kompensationsglied die Dämpfung d der Strecke veränderbar ist, sind mit der neuen Regeleinrichtung auch Strecken mit variabler Dämpfung gut regelbar. Ein Beispiel dafür ist eine Kaskadenregelung, bei welcher der unterlagerte Regelkreis eine variable, arbeitspunktabhängige Totzeit enthält. Mit der neuen Entwurfseinrichtung kann das Kompensationsglied einer arbeitspunktabhängigen Dämpfung leicht angepaßt werden. Für den Regler ist das Verhalten der um das Kompensationsglied ergänzten Strecke immer aperiodisch und problemlos beherrschbar. As already explained, the oscillation behavior of a system is influenced by the damping d: For d > 1, the transient response is aperiodic, but for a very small damping it oscillates strongly. Since the damping d of the system can be changed by the compensation element, systems with variable damping can also be easily controlled with the new control device. An example of this is a cascade control in which the underlying control loop contains a variable, operating point-dependent dead time. With the new design device, the compensation element can easily be adapted to an operating point-dependent damping. For the controller, the behavior of the system supplemented by the compensation element is always aperiodic and can be easily controlled.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.The invention, as well as its embodiments and advantages, are explained in more detail below with reference to the drawings in which embodiments of the invention are shown.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Regelstrecke als Blockschaltbild, Figur 2 eine Regelstrecke, ergänzt um ein Kompensationsglied, Figure 1 shows a control system as a block diagram, Figure 2 shows a control system supplemented by a compensation element,
Figur 3 einen geschlossenen Regelkreis mit einer um ein Kompensationsglied ergänzten Regelstrecke, Figur 4 eine Tabelle mit Reglereinstellregeln nach demFigure 3 shows a closed control loop with a control system supplemented by a compensation element, Figure 4 shows a table with controller setting rules according to the
Betragsoptimum,
Figur 5 einen geschlossenen Regelkreis mit Kompensation durch eine Vorsteuerung und
Figur 6 eine Kaskadenregelung.Amount optimum,
Figure 5 shows a closed control loop with compensation by a feedforward control and Figure 6 shows a cascade control.
In Figur 1 ist eine Strecke mit einer Übertragungsfunktion G(s), einer Eingangsgröße y(s) und einer Ausgangsgröße x(s) im Laplace-Bereich dargestellt. Das neue Entwurfsverfahren beruht auf der Erkenntnis, daß eine schwingungsfähigeFigure 1 shows a system with a transfer function G(s), an input variable y(s) and an output variable x(s) in the Laplace domain. The new design method is based on the knowledge that an oscillatory
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PT2-Strecke mit einer Übertragungsfunktion G(s) nach Gl. (2) in eine Rückkopplungsstruktur umgeformt werden kann, wie sie in Figur 2 dargestellt ist. Diese Struktur besteht aus einer Strecke 1 mit aperiodischem Einschwingverhalten, d. h. einer Strecke 1 mit einer Übertragungsfunktion nach Gl. (2) und einer Dämpfung d = 1, die über ein Vorhalteglied 2 zurückgekoppelt ist. Eine Ausgangsgröße x(s) wird dazu über das Vorhalteglied 2 geführt und mittels eines Summierers 3 einer Eingangsgröße y(s) additiv überlagert. Da das Ausgangssignal des Vorhalteglieds 2 mit positivem Vorzeichen auf den Summierer 3 geführt ist, kann diese Rückkopplung als Mitkopplung bezeichnet werden. Das Vorhalteglied 2 bewertet nur Änderungen der Regelgröße, so daß die Rückkopplung nur im dynamischen Fall wirksam ist. Es hat die Übertragungsfunktion V(s) = Kv * s mit Kv - Verstärkungsfaktor und s - Laplace-Operator. Die Übertragungsfunktion der um das Vorhalteglied in der Rückkopplungsstruktur ergänzten Strecke 1 lautet:PT2 system with a transfer function G(s) according to equation (2) can be converted into a feedback structure as shown in Figure 2. This structure consists of a system 1 with aperiodic transient response, i.e. a system 1 with a transfer function according to equation (2) and a damping d = 1, which is fed back via a lead element 2. An output variable x(s) is fed via the lead element 2 and is additively superimposed on an input variable y(s) by means of a summer 3. Since the output signal of the lead element 2 is fed to the summer 3 with a positive sign, this feedback can be referred to as positive feedback. The lead element 2 only evaluates changes in the controlled variable, so that the feedback is only effective in the dynamic case. It has the transfer function V(s) = Kv * s with Kv - gain factor and s - Laplace operator. The transfer function of the line 1 supplemented by the lead element in the feedback structure is:
G(s)G(s) == KK
y(s) l-G(s)*Kv*s 1 + (2* T-KvK)* s+T2* s2 y(s) lG(s)*Kv*s 1 + (2* T-KvK)* s+T 2 * s 2
Die Übertragungsfunktionen nach Gl. (2) und Gl. (4) sind identisch, wenn der Verstärkungsfaktor Kv des Vorhalteglieds 2 die Bedingung erfüllt:The transfer functions according to equation (2) and equation (4) are identical if the gain factor Kv of the lead element 2 satisfies the condition:
2 * (I - d) * T 2 * (I - d) * T
Kv = Gl. (5) Kv = Eq. (5)
Ein aperiodisches Einschwingverhalten mit d > 1 wird mit negativem Kv erreicht, d. h. mit einer dynamischen Gegenkopplung. Für einen Wert der Dämpfung d < 1 zeigt die um das Vorhalteglied 2 ergänzte Strecke 1 ein oszillierendes Einschwingverhalten. In diesem Fall ist Kv positiv und die Rückkopplungsstruktur stellt eine echte Mitkopplung dar.An aperiodic transient response with d > 1 is achieved with negative Kv, i.e. with a dynamic negative feedback. For a damping value d < 1, the section 1 supplemented by the lead element 2 shows an oscillating transient response. In this case, Kv is positive and the feedback structure represents a true positive feedback.
GR 97 G 4464 DEGR 97 G 4464 EN
Die Idee zum Entwerfen einer Regelung für schwingungsfähige Strecken besteht nun darin, diese Mitkopplung, die eine aperiodisch gedämpfte Strecke 1 in eine schwingungsfähige überführen kann, durch eine vorgeschaltete Gegenkopplung zu kompensieren, so daß ein Regler 4 in einem geschlossenen Regelkreis nach Figur 3 aufgrund einer zusätzlichen Rückkopplungsstruktur für eine Strecke mit aperiodischem Verhalten auszulegen ist, obwohl die eigentlich zu regelnde Strecke 6 schwingungsfähig ist. Der Regler 4, beispielsweise ein PI- oder PID-Regler, berechnet aus einer Regeldifferenz xd(s), die durch ein Subtrahierglied 5 aus einer Führungsgröße w(s) und einer an der schwingungsfähigen Strecke 6 gemessenen Regelgröße x(s) gebildet wird, eine Stellgröße y'(s). Dieser Stellgröße y'(s) wird ein Kompensationssignal, das durch ein Kompensationsglied 7 in Abhängigkeit der Regelgröße &khgr;(s) erzeugt wird, durch ein Subtrahierglied 8 mit negativem Vorzeichen überlagert. Das Ergebnis dieser Überlagerung wird als Stellsignal y(s) auf die Strecke 6 geführt. Das Kompensationsglied 7 ist als Vorhalteglied realisiert und hat wiederum die Übertragungsfunktion Kv * s. Der Verstärkungsfaktor Kv wird so berechnet, daß die um das Kompensationsglied 7 ergänzte Strecke 6 ein aperiodisches Einschwingverhalten aufweist. Die aus der schwingungsfähigen Strecke 6, dem Kompensationsglied 7 und dem Subtrahierer 8 gebildete Rückkopplungsstruktur stellt also eine fiktive Strecke mit einem vorgebbaren aperiodischen Verhalten dar, welche dieselbe Ordnung wie die schwingungsfähige, zu regelnde Strecke 6 aufweist. Umgekehrt könnte in einer Mitkopplungsstruktur das Ausgangssignal eines weiteren Kompensationsglieds mit derselben Übertragungsfunktion wie das Kompensationsglied 7 auf den Eingang der fiktiven, aperiodischen Strecke zurückgeführt werden, um bei der so aus der fiktiven, aperiodischen Strecke und der Mitkopplung gebildeten Schleife die Dämpfung d der schwingungsfähigen Strecke 6 zu erhalten. Gemäß Figur 3 wird dem Ausgabewert des Reglers 4, vorzugsweise eines PI-The idea for designing a control system for oscillating systems is to compensate for this positive feedback, which can convert an aperiodically damped system 1 into an oscillating system, by means of an upstream negative feedback, so that a controller 4 in a closed control loop according to Figure 3 can be designed for a system with aperiodic behavior due to an additional feedback structure, even though the system 6 actually to be controlled is oscillating. The controller 4, for example a PI or PID controller, calculates a control variable y'(s) from a control difference xd(s), which is formed by a subtractor 5 from a reference variable w(s) and a controlled variable x(s) measured on the oscillating system 6. A compensation signal, which is generated by a compensation element 7 depending on the controlled variable &khgr;(s), is superimposed on this control variable y'(s) by a subtractor 8 with a negative sign. The result of this superposition is fed to the path 6 as a control signal y(s). The compensation element 7 is implemented as a lead element and in turn has the transfer function Kv * s. The gain factor Kv is calculated so that the path 6 supplemented by the compensation element 7 has an aperiodic transient response. The feedback structure formed from the oscillating path 6, the compensation element 7 and the subtractor 8 therefore represents a fictitious path with a predeterminable aperiodic response, which has the same order as the oscillating path 6 to be controlled. Conversely, in a positive feedback structure, the output signal of another compensation element with the same transfer function as the compensation element 7 could be fed back to the input of the fictitious, aperiodic path in order to obtain the damping d of the oscillating path 6 in the loop thus formed from the fictitious, aperiodic path and the positive feedback. According to Figure 3, the output value of the controller 4, preferably a PI-
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oder PID-Reglers, durch den Subtrahierer 8, der in vorteilhafter Weise durch eine im Regler 4 integrierte Störgrößenaufschaltung realisiert sein kann, ein Kompensationssignal des Kompensationsglieds 7 überlagert. Dieses Kompensationssignal wird durch Multiplikation der Regelgröße x(s) mit der Übertragungsfunktion des Vorhalteglieds 7, das die Verstärkung Kv hat, gebildet. Der Regler 4 regelt jetzt eine Strecke mit vorgebbarem aperiodischen PT2-Verhalten, also eine Strekke mit einer Dämpfung d > 1. Im aperiodischen Grenzfall ist die Dämpfung d = 1. Prinzipiell ist aber jeder andere Wert der Dämpfung d vorgebbar. Für die um das Kompensationsglied 7 ergänzte Strecke 6 können die Reglerparameter jetzt mit konventionellen Verfahren für Regelstrecken mit reellen Polen, z. B. nach dem bekannten Betragsoptimum, berechnet werden.or PID controller, a compensation signal from the compensation element 7 is superimposed on the control signal of the PID controller 8, which can advantageously be implemented by a disturbance variable feedforward integrated in the controller 4. This compensation signal is formed by multiplying the controlled variable x(s) by the transfer function of the lead element 7, which has the gain Kv. The controller 4 now controls a system with a predeterminable aperiodic PT2 behavior, i.e. a system with a damping d > 1. In the aperiodic limit case, the damping d = 1. In principle, however, any other value of the damping d can be specified. For the system 6 supplemented by the compensation element 7, the controller parameters can now be calculated using conventional methods for controlled systems with real poles, e.g. according to the known optimum amount.
Alternativ könnte man eine aperiodisch gedämpfte Strecke durch Ergänzung um eine Gegenkopplungsstruktur mit einer einfachen Verstärkung in der Rückkopplung in eine schwingungsfähige Strecke überführen. Die Dämpfung ist auch in diesem Fall über den Verstärkungsfaktor in der Rückkopplung einstellbar. Nachteilig dabei ist allerdings, daß sich in Abhängigkeit der Dämpfung auch der Verstärkungsfaktor und die Zeitkonstante der Strecke ändern. Wird eine PT2-Strecke nach Gl. (2) mit der Dämpfung d = 1 über ein Proportionalglied mit der Verstärkung Kv gegengekoppelt, so erhält man folgende Übertragungsfunktion der auf diese Weise gebildeten Schleife:Alternatively, an aperiodically damped system could be converted into an oscillating system by adding a negative feedback structure with a simple gain in the feedback. In this case, the damping can also be set using the gain factor in the feedback. The disadvantage of this, however, is that the gain factor and the time constant of the system also change depending on the damping. If a PT2 system according to equation (2) with the damping d = 1 is negatively fed via a proportional element with the gain Kv, the following transfer function is obtained for the loop formed in this way:
x(s) _ G(s) _ Kx(s) _ G(s) _ K
y(s) l + G(s)*Kv (l+Kv*K)+2*T*s +y(s) l + G(s)*Kv (l+Kv*K)+2*T*s +
\±Kv*K\±Kv*K
2*72*7
Gl. (6)Eq. (6)
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Dieser Ansatz ist zum Entwerfen einer Regelung für schwingungsfähige
Strecken prinzipiell ebenfalls möglich. Insgesamt vorteilhafter ist jedoch eine Rückkopplung über ein Vorhalteglied.
5In principle, this approach is also possible for designing a control system for oscillating systems. Overall, however, feedback via a derivative element is more advantageous.
5
Wurde bei der Streckenidentifikation ein PT3-Modell nach
Gl. (3) ermittelt, so kann die Berechnung des Kompensationsglieds nach einem im folgenden beschriebenen, modifizierten
Verfahren erfolgen.
10If a PT3 model was determined according to equation (3) during the route identification, the compensation element can be calculated using a modified procedure described below.
10
Der Nenner der Übertragungsfunktion der PT3-Strecke lautet:The denominator of the transfer function of the PT3 system is:
(l+2dTs+T2s2)*(l+bTs)=l+(2d+b)Ts+(l+2bd)T2s2+bT3s3 Gl. (7)(l+2dTs+T 2 s 2 )*(l+bTs)=l+(2d+b)Ts+(l+2bd)T 2 s 2 +bT 3 s 3 Eq. (7)
Der Nenner eines um ein Vorhalteglied 2 gemäß Figur 2 ergänzten PT3-Modells lautet:The denominator of a PT3 model supplemented by a derivative element 2 as shown in Figure 2 is:
(l + 2Tls + Tl2s2) * (l+bl*Tls) -K*Kv*s=(l + 2Tls + Tl 2 s 2 ) * (l+bl*Tls) -K*Kv*s=
1+ (2Tl+bl*Tl-K*Kv) s+ (l+2*bl) *Tl2s2+blTl3s3 Gl.(8)1+ (2Tl+bl*Tl-K*Kv) s+ (l+2*bl) *Tl 2 s 2 +blTl 3 s 3 Eq.(8)
Der Dämpfungsfaktor d ist im Nenner der Übertragungsfunktion eines PT3-Modells in zwei Koeffizienten enthalten. Daher sind in der Übertragungsfunktion der Rückkopplungsstruktur zusätzlieh neue Werte bl und Tl zu bestimmen, damit das PT3-Modell und die Rückkopplungsstruktur das gleiche Übertragungsverhalten haben. Die Parameter Kv, bl und Tl werden gemäß den folgenden Gleichungen berechnet, die durch Koeffizientenvergleich aus den GIn. (7) und (8) ableitbar sind:The damping factor d is contained in the denominator of the transfer function of a PT3 model in two coefficients. Therefore, additional new values bl and Tl must be determined in the transfer function of the feedback structure so that the PT3 model and the feedback structure have the same transfer behavior. The parameters Kv, bl and Tl are calculated according to the following equations, which can be derived from equations (7) and (8) by comparing the coefficients:
s1 : (2d + b)*T = (2 + bl)*Tl - K*Kv Gl. (9)s 1 : (2d + b)*T = (2 + bl)*Tl - K*Kv Eq. (9)
s2 : (1 + 2bd)*T2 = (1 + 2bl)*Tl2 Gl. (10)s 2 : (1 + 2bd)*T 2 = (1 + 2bl)*Tl 2 Eq. (10)
s3 : b*T3 = bl*Tl3 Gl. (11)s 3 : b*T 3 = bl*Tl 3 Eq. (11)
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Aus Gl. (11) folgt für Tl:From equation (11) it follows for Tl:
Gl. (12)Eq. (12)
In Gl. (10) wird Tl durch diesen Wert ersetzt und durch T2 gekürzt. Die Bestimmungsgleichung für bl lautet dann:In equation (10), Tl is replaced by this value and abbreviated by T 2 . The equation for determining bl is then:
2/32/3
Gl. (13)Eq. (13)
Ein akzeptabler Wert für bl kann mit einer einfachen algorythmischen Schleife bestimmt werden, in der bl ausgehend vom Wert Null hochgezählt und der Wert heraussortiert wird, bei dem die Gl. (13) den kleinsten Absolutwert aufweist. Prinzipiell wäre die Gl. (13) auch numerisch lösbar. Eine numerisehe Lösung könnte jedoch Lösungen liefern, die zwar mathematisch korrekt, aber technisch unbrauchbar sind.An acceptable value for bl can be determined using a simple algorithmic loop in which bl is incremented starting from zero and the value for which equation (13) has the smallest absolute value is sorted out. In principle, equation (13) could also be solved numerically. However, a numerical solution could yield solutions that are mathematically correct but technically unusable.
Mit Gl. (9) wird Kv berechnet zu:Using equation (9), Kv is calculated as:
bl)*Tl-(2dbl)*Tl-(2d
Gl. (14)Eq. (14)
Im Falle einer schwingungsfähigen Strecke mit PT3-Verhalten ist es vorteilhaft, den Regler 4 (Figur 3) für die Strecke mit vorgegebenem aperiodischen Verhalten, die aus der Rückkopplungsstruktur gebildet wird, mit den drei reellen Polen 1/Tl, 1/Tl und l/(bl*Tl) zu entwerfen.In the case of an oscillatory system with PT3 behavior, it is advantageous to design the controller 4 (Figure 3) for the system with predetermined aperiodic behavior, which is formed from the feedback structure, with the three real poles 1/Tl, 1/Tl and l/(bl*Tl).
Bei Tests der neuen Regeleinrichtung hat sich gezeigt, daß sie so robust ist, daß ohne weiteres auch ein nach Gl. (5) berechneter Wert der Verstärkung Kv und ein Reglerentwurf für eine aperiodische PT3-Strecke mit den Parametern K, b, T derTests of the new control system have shown that it is so robust that a value of the gain Kv calculated according to equation (5) and a controller design for an aperiodic PT3 system with the parameters K, b, T of the
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identifizierten, schwingungsfähigen PT3-Strecke bereits mit Vorteil einsetzbare Lösungen liefert.already provides solutions that can be used to advantage for the identified, oscillating PT3 section.
Mit den Einstellregeln, die in dem eingangs genannten Buch von Otto Föllinger angegeben sind, können nach dem Betragsoptimum die in der Tabelle in Figur 4 aufgeführten Parameter eines PI- oder PID-Reglers für den aperiodischen Grenzfall eines PT2- oder PT3-Modells berechnet werden. Als Reglerverstärkung eines PID-Reglers für das PT2-Modell ist ein empirisch gewonnener Wert angegeben. In die erste Tabellenspalte von links ist der Reglertyp, in die zweite der jeweilige Reglerparameter und in die dritte bzw. vierte Spalte sind die Werte der Parameter für PT2- und PT3-Strecke eingetragen. Using the setting rules given in the book by Otto Föllinger mentioned at the beginning, the parameters of a PI or PID controller listed in the table in Figure 4 for the aperiodic limit case of a PT2 or PT3 model can be calculated based on the optimum amount. An empirically obtained value is given as the controller gain of a PID controller for the PT2 model. The controller type is entered in the first column of the table from the left, the respective controller parameter in the second, and the values of the parameters for the PT2 and PT3 systems are entered in the third and fourth columns.
Die Einstellregeln beziehen sich auf folgende, ideale PID-Regierstruktur: The setting rules refer to the following ideal PID control structure:
4^ = ^&iacgr;1 + &Tgr;4^ = ^&iacgr; 1 + &Tgr;
xd(s) y Tnsxd(s) y Tns
mit Kp - Reglerverstärkung,
Tn - Nachstellzeit und
Tv - Vorhaltezeit.with Kp - controller gain,
Tn - reset time and
Tv - lead time.
Das Entwurfsverfahren ist sehr robust und verträgt große Parameterschwankungen. Verwendet man in der Rückführung statt des idealen Vorhaltegliedes als Kompensationsglied ein reales Vorhalteglied mit einer Verzögerung in der Übertragungsfunktion, so kann man die Robustheit der neuen Regeleinrichtung gegenüber Meßwertrauschen verbessern.The design process is very robust and tolerates large parameter fluctuations. If a real lead element with a delay in the transfer function is used in the feedback instead of the ideal lead element as a compensation element, the robustness of the new control system against measured value noise can be improved.
Alternativ zu der in Figur 3 dargestellten Rückkopplung über das Kompensationsglied 7 kann auch eine Vorsteuerung eingesetzt werden, bei welcher das Kompensationssignal nicht vonAs an alternative to the feedback via the compensation element 7 shown in Figure 3, a feedforward control can also be used in which the compensation signal is not
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der Regelgröße x(s), sondern vom Sollwert w(s) abgeleitet wird, wie es in Figur 5 dargestellt ist. Über ein Kompensationsglied 9 mit der Übertragungsfunktion Kv * s wird die Führungsgröße w(s) durch einen Subtrahierer 10 zur Berechnung einer Stellgröße y(s) dem Ausgabewert y'(s) eines Reglers überlagert. Die Stellgröße y(s) wird einer schwingungsfähigen, zu regelnden Strecke 12 aufgeschaltet. An der Strecke wird die Regelgröße x(s) erfaßt und auf einen Subtrahierer zur Bildung einer Regeldifferenz xd(s) aus der Führungsgröße w(s) und der Regelgröße x(s) geführt. Die Regeldifferenz xd(s) ist wiederum die Eingangsgröße des Reglers 11. Mit Rl wird die Übertragungsfunktion des Reglers 11 und mit R2 die Übertragungsfunktion des Kompensationsglieds 9 bezeichnet. G ist die Übertragungsfunktion der Strecke 12. Das Führungsverhalten dieser Regeleinrichtung kann berechnet werden zu:the controlled variable x(s), but rather from the setpoint w(s), as shown in Figure 5. Via a compensation element 9 with the transfer function Kv * s, the reference variable w(s) is superimposed by a subtractor 10 to calculate a manipulated variable y(s) on the output value y'(s) of a controller. The manipulated variable y(s) is applied to an oscillating system 12 to be controlled. The controlled variable x(s) is recorded on the system and fed to a subtractor to form a control difference xd(s) from the reference variable w(s) and the controlled variable x(s). The control difference xd(s) is in turn the input variable of the controller 11. Rl denotes the transfer function of the controller 11 and R2 the transfer function of the compensation element 9. G is the transfer function of the system 12. The control behavior of this control system can be calculated as:
x=G* [-R2*w + Rl*(W-X)] Gl. (15)x=G* [-R2*w + Rl*(W-X)] Eq. (15)
x \Rl-R2]*Gx \Rl-R2]*G
— = 1 * Gl. (16) — = 1 * Eq. (16)
w l + G*Rlw l + G*Rl
Zur besseren Übersichtlichkeit wurde bei den Bezeichnungen der einzelnen Größen der Klammerausdruck mit dem Laplace-Operator s weggelassen.For better clarity, the bracket expression with the Laplace operator s has been omitted from the names of the individual quantities.
Die Übertragungsfunktion des Führungsverhaltens der Regeleinrichtung nach Figur 3 lautet dagegen:The transfer function of the control behavior of the control device according to Figure 3 is:
&khgr; = G * [ -Kv*s*x + R*(W-X)] Gl. (17)&khgr; = G * [ -Kv*s*x + R*(W-X)] Eq. (17)
&Lgr; = &phgr;° , Λ = ϕ° , Gl. (18)Eq. (18)
w l + G*[R + Kv*s]w l + G*[R + Kv*s]
GR 97 G 4464 DE .. ., ,GR 97 G 4464 DE .. ., ,
Die Ubertragungsfunktionen der Strecke und des Reglers werden hier mit G bzw. R bezeichnet.The transfer functions of the system and the controller are denoted here by G and R respectively.
Die Ubertragungsfunktionen in den GIn. (16) und (18) sind identisch, wenn man in Gl. (16) den D-Anteil in Rl, d. h. den D-Anteil des Reglers 11, um den Wert Kv/Kp mit Kp als Reglerverstärkung vergrößert und die Übertragungsfunktion der Versteuerung, d. h. die Übertragungsfunktion R2 des Kompensationsglieds 9, gleich Kv * s setzt. Das ergibt sich unmittelbar durch Koeffizientenvergleich und Auflösen der so erhaltenen Gleichungen. Mit dem Subtrahierglied 10 wirkt die Vorsteuerung bei Sollwertänderungen "bremsend" und verringert die Gefahr eines Überschwingens.The transfer functions in equations (16) and (18) are identical if the D component in Rl in equation (16), i.e. the D component of the controller 11, is increased by the value Kv/Kp with Kp as the controller gain and the transfer function of the control, i.e. the transfer function R2 of the compensation element 9, is set equal to Kv * s. This is immediately obtained by comparing coefficients and solving the equations thus obtained. With the subtraction element 10, the pre-control has a "braking" effect when the setpoint changes and reduces the risk of overshoot.
Andererseits wechselt entsprechend Gl. (5) Kv bei stark gedämpften, aperiodischen PT2-Strecken mit einer Dämpfung d > 1 das Vorzeichen. Der D-Anteil der Reglerübertragungsfunktion Rl wird damit abgeschwächt und die Vorsteuerung mit dem Kompensationsglied 9 "beschleunigt" die Regelung.On the other hand, according to equation (5), Kv changes sign in the case of strongly damped, aperiodic PT2 systems with a damping d > 1. The D component of the controller transfer function Rl is thus weakened and the feedforward control with the compensation element 9 "accelerates" the control.
Obwohl die Rückkopplungsstruktur nach Figur 3 und die Vorsteuerung nach Figur 5 mathematisch dieselben Übertragungsfunktionen ergeben, hat die Vorsteuerung in Abtastregelungen den Vorteil, daß Änderungen der Führungsgröße w(s) über das Kompensationsglied 9 unverzögert als Änderung der Stellgröße y(s) wirksam werden.Although the feedback structure according to Figure 3 and the feedforward control according to Figure 5 mathematically result in the same transfer functions, the feedforward control in sampling controls has the advantage that changes in the reference variable w(s) become effective without delay as a change in the manipulated variable y(s) via the compensation element 9.
Mit Vorteil kann die neue Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung für schwingungsfähige Strecken auch auf den Entwurf von Kaskadenregelungen angewandt werden. In Figur 6 ist eine Kaskadenregelung dargestellt. Auf einen Führungsregler 14 mit einer Übertragungsfunktion R4 sind eine Handstellgröße yh für Handbetrieb, eine Führungsgröße w und eine Regelgröße x2 geführt. Der Führungsregler 14 liefert eine Stellgröße y2 für einen unterlagerten Regelkreis. Die Stellgröße y2 ist in demThe new device for designing a control system for oscillating systems can also be used to design cascade control systems. Figure 6 shows a cascade control system. A manual control variable yh for manual operation, a reference variable w and a controlled variable x2 are fed to a master controller 14 with a transfer function R4. The master controller 14 supplies a control variable y2 for a subordinate control loop. The control variable y2 is in the
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unterlagerten Regelkreis einem Regler 15 mit einer Übertragungsfunktion R3 aufgeschaltet, der aus der Stellgröße y2 und einer Regelgröße xl eine Stellgröße yl für eine Strecke 16 mit der Übertragungsfunktion Gl bildet. Der Strecke 16, an welcher die Regelgröße xl gemessen wird, ist eine Strecke 17 mit einer Übertragungsfunktion G2 nachgeschaltet, an welcher schließlich die Regelgröße x2 erfaßt wird.subordinate control loop is connected to a controller 15 with a transfer function R3, which forms a control variable yl for a system 16 with the transfer function Gl from the manipulated variable y2 and a controlled variable xl. The system 16, on which the controlled variable xl is measured, is followed by a system 17 with a transfer function G2, on which the controlled variable x2 is finally recorded.
Eine vergleichsweise aufwendige Möglichkeit zur Bestimmung der Reglerparameter in einer derartigen Kaskadenregelung ist das folgende iterative Verfahren:A comparatively complex way to determine the controller parameters in such a cascade control is the following iterative procedure:
1. Schritt:1st step:
Der Einschwingvorgang für den unterlagerten Regelkreis wird aufgenommen. Aus den gemessenen und abgespeicherten Zeitverläufen von yl(t) und xl(t) wird eine Übertragungsfunktion Gl bestimmt, die das Verhalten der Strecke 16 modelliert. Anhand dieses Modells werden die Parameter der Übertragungsfunktion R3 des Folgereglers 15 festgelegt. 20The transient response for the underlying control loop is recorded. A transfer function Gl is determined from the measured and stored time profiles of yl(t) and xl(t), which models the behavior of the system 16. The parameters of the transfer function R3 of the slave controller 15 are determined using this model. 20
2. Schritt:Step 2:
Der Einschwingvorgang für den Führungsregelkreis wird aufgenommen. Aus den Zeitverläufen der Stellgröße y2(t) und der Regelgröße x2(t) wird ein Modell für die aus dem unterlagerten Regelkreis und der Strecke 17 gebildete Strecke des Führungsreglers 14 ermittelt. Anhand dieses Modells werden die Parameter in der Übertragungsfunktion R4 des Führungsreglers 14 berechnet.The transient response for the master control loop is recorded. From the time profiles of the manipulated variable y2(t) and the controlled variable x2(t), a model is determined for the path of the master controller 14 formed from the subordinate control loop and the path 17. Using this model, the parameters in the transfer function R4 of the master controller 14 are calculated.
30 3. Schritt:30 Step 3:
Je nach Dynamik der Strecke 17 müssen eventuell die Parameter des Reglers 15 empirisch korrigiert werden, wenn mit der gewählten Einstellung des Reglers 15 kein Streckenmodell für den Führungsregelkreis oder keine akzeptablen Parameter des Führungsreglers 14 bestimmt werden können. In diesem Fall mußDepending on the dynamics of the system 17, the parameters of the controller 15 may need to be corrected empirically if no system model for the master control loop or no acceptable parameters of the master controller 14 can be determined with the selected setting of the controller 15. In this case,
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der 2. Schritt wiederholt werden. Das Verfahren wird erst abgeschlossen, wenn auch der Entwurf des Führungsreglers 14 akzeptable Einstellparameter ergibt.the second step must be repeated. The process is only completed when the design of the master controller 14 also produces acceptable setting parameters.
Mit der neuen Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung kann das Reglerentwurfsverfahren in der folgenden Weise vereinfacht und mit geringerem Aufwand durchgeführt werden:With the new control design facility, the controller design process can be simplified and carried out with less effort in the following way:
1. Schritt:1st step:
Die Regelung wird angeregt und die Einschwingvorgänge der im Regelkreis relevanten Größen werden aufgezeichnet. Dazu wird der Führungsregler 14 in Handbetrieb genommen und es wird, wie in Figur 6 dargestellt, über den Handwert yh des Reglers eine Stellgrößenänderung aufgeschaltet. Die Betriebsart "Handbetrieb" ist dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Regler ausgegebene Stellgröße unabhängig von der aktuell am Regler anstehenden Regeldifferenz einem vorgegebenen Handwert folgt. Im Automatikbetrieb wird dagegen die Stellgröße entsprechend der Reglerübertragungsfunktion aus der anliegenden Regeldifferenz berechnet. Eine weitere Möglichkeit, die Regelung zu Einschwingvorgängen anzuregen, wäre daher, beide Regler im Automatikbetrieb zu belassen und eine Änderung des Sollwerts w des Führungsreglers 14 vorzunehmen. Die Anregung führt zu einem Einschwingvorgang im Verlauf der Stellgrößen yl(t) und y2(t) sowie der Regelgrößen xl(t) und x2(t). Es muß also kein getrennter Einschwingvorgang zur Modellierung der Strecke 16 und zur Modellierung der aus dem unterlagerten Regelkreis und der Strecke 17 gebildeten Strecke für den Führungsregler 14 aufgenommen werden.The control is initiated and the transient processes of the relevant variables in the control loop are recorded. To do this, the master controller 14 is put into manual operation and, as shown in Figure 6, a change in the manipulated variable is applied via the manual value yh of the controller. The "manual operation" operating mode is characterized by the fact that the manipulated variable output by a controller follows a specified manual value regardless of the control difference currently present at the controller. In automatic operation, however, the manipulated variable is calculated from the control difference present in accordance with the controller transfer function. Another way of inducing the control to undergo transient processes would therefore be to leave both controllers in automatic operation and to change the setpoint w of the master controller 14. The excitation leads to a transient process in the course of the manipulated variables yl(t) and y2(t) as well as the controlled variables xl(t) and x2(t). Therefore, no separate transient response process needs to be recorded for modeling the system 16 and for modeling the system formed from the subordinate control loop and the system 17 for the master controller 14.
2. Schritt:Step 2:
Zur Identifikation der Strecken 16 und 17 werden aus den gespeicherten Einschwingvorgängen die Übertragungsfunktionen Gl und G2 der Modelle der Strecken 16 bzw. 17 entsprechend den allgemeinen FormelnTo identify the sections 16 and 17, the transfer functions Gl and G2 of the models of sections 16 and 17 are calculated from the stored transient processes according to the general formulas
GR 97 G 44 64 DEGR 97 G 44 64 EN
Gl(S) = Fl[Xl(S), yl(s)] G2(S) = F2[x2(s), xl(s)]Gl(S) = Fl[Xl(S), yl(s)] G2(S) = F2[x2(s), xl(s)]
undand
Gl. (19)Eq. (19)
berechnet.calculated.
3. Schritt:Step 3:
In Abhängigkeit der Übertragungsfunktion Gl der identifizierten Strecke 16 wird der Regler 15 beispielsweise nach dem Betragsoptimum entworfen.Depending on the transfer function Gl of the identified path 16, the controller 15 is designed, for example, according to the optimum magnitude.
4. Schritt:Step 4:
Mit den bisher festgelegten Übertragungsfunktionen R3, Gl und G2 wird ein Modell der Strecke für den Führungsregler berechnet. Die Berechnung des Modells kann zweistufig erfolgen. Zunächst wird ein ideales Modell anhand der Übertragungsfunktion des unterlagerten Regelkreises und der Übertragungsfunktion G2 der Strecke 17 ermittelt zu:Using the previously defined transfer functions R3, Gl and G2, a model of the system is calculated for the master controller. The model can be calculated in two stages. First, an ideal model is determined using the transfer function of the subordinate control loop and the transfer function G2 of the system 17 as:
y2 (s) I+ Rl* Gly 2 (s) I+ Rl* Eq
G2G2
Gl. (20)Eq. (20)
Dieses eventuell komplexe Modell mit der Übertragungsfunktion GF (s) wird danach durch ein PT3-Ersatzmodell einer schwingungsfähigen Strecke mit einer Übertragungsfunktion GE(s) nach folgender Gleichung angenähert:This possibly complex model with the transfer function G F (s) is then approximated by a PT3 equivalent model of an oscillatory system with a transfer function G E (s) according to the following equation:
y2 (s) (l + IdTs + T2s2 y 2 (s) (l + IdTs + T 2 s 2
Gl.Eq.
5. Schritt:Step 5:
Mit der neuen Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung wird für dieses PT3-Modell ein Kompensationsglied zur Erzeugung eines Kompensationssignals, das der Stellgröße y2 überlagert wird, bestimmt, derart, daß die um das Kompensationsglied ergänzte, aus dem unterlagerten Regelkreis und der Strecke 17With the new facility for designing a control system, a compensation element is determined for this PT3 model to generate a compensation signal that is superimposed on the manipulated variable y2, such that the control signal supplemented by the compensation element from the underlying control loop and the system 17
GR 97 G 4464 DE § GR 97 G 4464 EN §
gebildete Strecke ein aperiodisches Einschwingverhalten aufweist. Der Regler 14 wird zur Regelung der um das Kompensationsglied
ergänzten Strecke nach einem Entwurfsverfahren für aperiodische Strecken entworfen.
5formed system has an aperiodic transient response. The controller 14 is designed to control the system supplemented by the compensation element according to a design method for aperiodic systems.
5
Gegenüber dem oben beschriebenen iterativen Verfahren hat das erläuterte Verfahren mit der neuen Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung die Vorteile, daß nur eine einmalige Aufnahme eines Einschwingvorganges erfolgt und ein Nachjustieren des unterlagerten Regelkreises entfällt.Compared to the iterative method described above, the method explained with the new facility for designing a control system has the advantage that a transient response is only recorded once and there is no need to readjust the underlying control loop.
Die neue Einrichtung zum Entwerfen einer Regelung sowie die damit erhältliche neue Regeleinrichtung sind zudem bei einer Kaskadenregelung mit Vorteil einsetzbar, bei welcher der unterlagerte Regelkreis eine variable Totzeit aufweist.The new facility for designing a control system and the new control device obtained with it can also be used advantageously in a cascade control system in which the underlying control loop has a variable dead time.
Enthält die Strecke 16 des unterlagerten Regelkreises eine variable, arbeitspunktabhängige Totzeit, so kann der Regler 15 zunächst für die Totzeit entworfen werden, die im Nennbereich der Regelung auftritt. Verläßt die Regelung diesen Bereich, so verändert sich die Totzeit der Strecke 16 und der unterlagerte Regelkreis wird entweder zu träge oder er beginnt zu schwingen. Für die Bereiche außerhalb des Nennbereichs müssen für den Führungsregler 14 aperiodische oder schwingungsfähige Ersatzmodelle, beispielsweise mit PT3-Verhalten, bestimmt werden, die sich vorwiegend in der Dämpfung d unterscheiden. Mit einem Kompensationsglied, das eine in Abhängigkeit der jeweiligen Dämpfung d einstellbare Verstärkung Kv besitzt, kann die Regelung über einen größeren Arbeitsbereich stabilisiert und das Führungsverhalten verbessert werden. Anhand der Periodendauer und des Amplitudenverhältnisses des Einschwingverhaltens nach einem Sollwertsprung an der Kaskadenregelung können bereits Näherungswerte für Dämpfung und Zeitkonstante eines PT2-Modells für den Entwurf des Führungsreglers bestimmt werden. Mit den verschiedenen Werten der Dämpfung d für die verschiedenenIf the system 16 of the subordinate control loop contains a variable dead time that depends on the operating point, the controller 15 can initially be designed for the dead time that occurs in the nominal range of the control. If the control leaves this range, the dead time of the system 16 changes and the subordinate control loop either becomes too sluggish or begins to oscillate. For the ranges outside the nominal range, aperiodic or oscillatory replacement models, for example with PT3 behavior, must be determined for the master controller 14, which differ primarily in the damping d. With a compensation element that has a gain Kv that can be set depending on the respective damping d, the control can be stabilized over a larger operating range and the control behavior can be improved. Based on the period duration and the amplitude ratio of the transient response after a setpoint step on the cascade control, approximate values for the damping and time constant of a PT2 model for the design of the master controller can be determined. With the different values of the damping d for the different
GR 97 G 4464 DEGR 97 G 4464 EN
Arbeitsbereiche der Regelung werden die Parameter des Füh rungsreglers 14 sowie des gegebenenfalls erforderlichen Kompensationsglieds bestimmt.The parameters of the master controller 14 and of any compensation element required are determined for the control operating ranges.
Claims (9)
daß das Kompensationsglied (9) im Laplace-Bereich zumindest näherungsweise die Übertragungsfunktion Kv * s besitzt, daß die Führungsgröße (w) nach Art einer Vorsteuerung über das Kompensationsglied (9) mit umgekehrtem Vorzeichen der Stellgröße (y') des Reglers (11) überlagert wird und daß zur Vorhaltezeit Tv eines für die Strecke mit vorgebbarem aperiodischen Verhalten optimierten PD- oder PID-Reglers der Wert Kv/Kp addiert wird, wobei Kp die Verstärkung des Reglers (11) ist.that to determine the compensation element (7) a gain factor Kv of a differentiating element with the transfer function Kv * s in the Laplace range with Kv - gain factor, s - Laplace operator is determined, over which the controlled variable (x) would have to be superimposed on the manipulated variable (y) in a negative feedback structure in order to obtain at least approximately the damping of a system with a predeterminable aperiodic behavior, which has the same order as the oscillating system (6) to be controlled, in the loop thus formed from the system (6) and the negative feedback,
that the compensation element (9) has at least approximately the transfer function Kv * s in the Laplace range, that the reference variable (w) is superimposed in the manner of a feedforward control via the compensation element (9) with the opposite sign of the manipulated variable (y') of the controller (11) and that the value Kv/Kp is added to the derivative time Tv of a PD or PID controller optimized for the system with predefinable aperiodic behavior, where Kp is the gain of the controller (11).
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