DE3149488A1

DE3149488A1 - Verfahren zur automatischen verringerung der positionsnacheilung eines nicht-linearen stellglieds

Info

Publication number: DE3149488A1
Application number: DE19813149488
Authority: DE
Inventors: Gérard 38100 Grenoble Dautremay
Original assignee: Neyrpic SA
Current assignee: Neyrpic SA
Priority date: 1980-12-23
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1982-08-26
Also published as: FR2496922A1; FR2496922B1

Description

3U9488

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 2.

Die Erfindung findet beispielsweise eine wirksame Anwendung bei der Drehzahlregelung einer einen Generator antreibenden hydraulischen Turbine.

Eine ganz in herkömmlicher Weise ausgebildete Regelvorrichtung ist durch das Funktionsschema von Fig. 1 dargestellt, die bei der Drehzahlregelung einer hydraulischen Turbine, z. B. der Pelton-Bauart, anwendbar ist, d. h. einer Turbine, deren Drehzahl insbesondere durch die Stellung der Nadel des oder der Injektoren für die Zufuhr von Wasser auf die Schaufeln verändert werden kann.

Da das Problem in der Konstanthaltung der Drehzahl der Turbine besteht, d. h. meistens der Frequenz des vom angeschlossenen Generator erzeugten Wechselstroms, enthält das System zunächst einen Regler 1, der, ausgehend von der beobachteten Frequenz F und der Sollfrequenz CF, ein Stellsignal Y erzeugt, das auf ein Stellglied 2 mit Verstärker, im folgenden kurz als Stellglied bezeichnet, gegeben wird. Die Aufgabe des Stellglieds 2 besteht gleichzeitig in einer Verstärkung und im allgemeinen Veränderung der Art des Signals, wobei z.. B. ein elektrisches oder elektronisches Signal in eine Verschiebung eines mechanischen Organs umgeformt wird. Im vorliegenden Fall erfolgt diese Umformung in eine Verschiebung der Nadel eines Injektors einer aus Turbine und Generator bestehenden Gruppe 4, die den Strom mit der Frequenz F liefert.

Der als PID-Regler aufgebaute Regler 1 hat in herkömmlicher Weise einen Differentialverstärker 6, dessen Ausgangssignal E1 gleichzeitig auf drei Kreise 7,8, 9 mit proportionaler, inte-

graler bzw. differentieller Wirkung gegeben wird. Das Stellsignal Y ergibt sich aus der bei 1O gebildeten Summe der PID-Wirkungen der drei Kreise 7, 8 und 9. Die Punktionsparameter des Reglers 1 werden für Turbinen mit zwei Steuerelementen (z. B. Injektoren und Deflektoren für eine Pelton-Turbine) derart bestimmt, dass der beste Kompromiss zwischen den Wirkungen der Injektoren und derjenigen der Deflektoren erzielt wird.

Beim Stellglied 2 wird das Stellsignal Y mit der tatsächlichen Position X in einem Differentialverstärker 12 verglichen. Der auf diese Weise ermittelte Positionsfehler E wird auf ein Stellorgan 13 gegeben, das z. B. ein Servomotor sein kann.

Im stabilen Beharrungszustand ist die Abweichung E1 zwischen CF und F gleich Null, sind Y und X Konstante und ist die Positionsabweichung E gleich Null.

Im allgemeinen und insbesondere bei der Turbinenregelung ist das Stellglied 2 willkürlich nicht linear, d. h. dass die Veränderungsgeschwindigkeit von X der Positionsabweichung nur für geringe, positive oder negative Werte dieser Abweichung proportional ist. Bei Störungen von grösserer Amplitude, die zu höheren Absolutwerten von E führen, ist dann die Veränderungsgeschwindigkeit von X willkürlich konstant zur Abschwä-· chung der Trägheitswirkungen des sich bewegenden Fluids in der Druckleitung für die Wasserzufuhr.

Daraus ergibt sich, dass in den Regelsystemen mit nicht-linearem Stellglied eine Nacheilerscheinung auftritt, d. h. eine Verzögerung zwischen dem vom Regler gegebenen Positionssignal und der vom abschliessenden Regelstellglied eingenommenen tatsächlichen Stellung X.

Fig. 2 zeigt diese Nacheilerscheinung durch eine graphische Darstellung, die den Ablauf des Befehls Y und der Position X

in Abhängigkeit von der Zeit darstellt. Im Beharrungszustand ist X = Y. Ausgehend von der Zeit t , bei der die Störung beginnt, ist in einer ersten kurzen Phase a, in der die Abweichung Y-X gering ist, die Wirkung proportional. In der Phase b, in der die Abweichung einen Grenzwert überschritten hat, verändert sich die Position X unabhängig von der Abweichung mit konstanter Geschwindigkeit. Die Proportionalität tritt nur dann von Neuem auf, wenn das Stellsignal Y sein Maximum überschritten hat und abnimmt, und wenn in der Phase c die Abweichung zwischen Y und X sich wieder auf einem geringen Wert befindet, sich dann umkehrt und auf einem geringen Absolutwert, bleibt. In der Phase d bleibt erneut die abnehmende Veränderungsgeschwindigkeit von X konstant.

Die Nacheilung T kann definiert werden als Zeitdifferenz zwischen dem Augenblick, in dem das Stellsignal Y sein Maximum überschreitet, und dem Augenblick, in dem die Position X dem Wert Y entspricht. Es ist somit ersichtlich, dass die Nacheilung T von den Parametern des Reglers 1, von der willkürlichen Nicht-Linearität des Stellglieds 2 und auch von der Amplitude der Störung abhängt, so dass die Nacheilung bei starken Störungen sehr gross wird.

Die Nacheilung stellt eine schädliche Erscheinung dar, die die Leistung von Regelsystemen, insbesondere bei starken Störungen, verringert. Im Fall von beispielsweise Pelton-Turbinen mit doppelter Steuerung durch Injektoren und Deflektoren führt die Nacheilung zu einem Energieverlust durch übermässiges Übergangsöffnen der Injektoren nach einem Drehzahlabfall und zu einer Übergangsperiode der überdrehzahl in Verbindung mit störenden Druckänderungen am Unterteil des die Turbine speisenden Druckleitung.

Fig. 3 und 4 zeigen einen tatsächlichen Fall bei einer Anlage mit Pelton-Turbine und Generator mit doppelter Steuerung durch Injektoren und Deflektoren, wobei die Anlage ein gesondertes elektrisches Netz speist.

Fig. 3 zeigt ein Frequenztief des Netzes, das zu einer plötzlichen überlastung führt, und die allmähliche Wiederherstellung unter der Wirkung der Regelung der Turbine.

Fig. 4 zeigt, wie die theoretische Fig. 2, in Abhängigkeit von der Zeit die relativen Veränderungen des Signals Y zur Positionsveränderung der Düsennadel und der tatsächlichen Position X der Düsennadel, die durch ein nicht-lineares Stellglied betätigt wird. Die Werte Y und X sind hier als Öffnungskoeffizienten der Injektoren ausgedrückt, wobei der Koeffizient 1 der vollen öffnung entspricht. Während der Phase einer starken Störung ist die Abweichung Y-X gross. Die Öffnungszunahme der Injektoren erfolgt während einer langen Zeitdauer, insbesondere während der gesamten Dauer der Nacheilung Ty. Der Öffnungskoeffizient der Injektoren steigt etwa bis 0,75 und fällt dann wieder stark ab, wobei die Turbine eine nutzlose und Energie verbrauchende Überdrehzahl annimmt und sich dann langsam auf ihr neues Gleichgewicht einstellt.

Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Nacheilungswert T unabhängig von der Amplitude der Störung zu machen und folglich· eine geringe Nacheilung selbst bei Störungen mit grosser Amplitude beizubehalten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzs."2 .

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 5 bis 8 entsprechen jeweils den Fig. 1 bis 4, die den Stand der Technik darstellen;

Fig. 5 ein Funktionsschema der Anordnung des erfindungsgemäss ausgeführten Reglers;

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Fig. 6 eine theoretische graphische Darstellung, die in Abhängigkeit von der Zeit die relativen Änderungen des Signals Y des Reglers und der tatsächlichen Position X des Regelorgäns darstellt;

Fig. 7 und 8 das Ergebnis der Anwendung der Erfindung bei dem zu Fig. 3 und 4 beschriebenen tatsächlichen Fall.

Fig. 5 zeigt alle Elemente des zu Fig. 1 beschriebenen herkömmlichen Regelkreises. Jedoch wird hier die Abweichung E zwischen Y und X am Ausgang eines Differentialverstärkers abgenommen und in einem Abweichungsdetektor 15 mit drei Stellungen analysiert. Der Kreis oder Detektor 15 enthält die Grenzwerte E+ und E- des Linearitätsbereichs des Stellglieds 2/ wobei das Ausgangssignal S des Detektors 15 gleich +1, 0 oder -1 ist, je nachdem sich die tatsächlichen Abweichung E über, innerhalb oder unterhalt des Linearitätsbereichs befindet ..

Das Signal S wird zu einem Rechner geschickt, der auch das Signal X und die Antwortsignale P und D der Kreise 7 und 9 mit proportionaler und different jßller Wirkung des Reglers 1 empfängt. Der Rechner enthält auch noch zwei konstante positive Werte Θ- und Θ₂·

Der Rechner erzeugt als innere Verrechnung im Summierer 17 die Summe ^jT der Signale D und P und erzeugt zwei Ausgangssignale L und L¹, deren Rechnungsalgorithmen gemäss Fig. 5 entsprechend dem Wert 1, 0, -1 des Signals S variieren.

Die Werte L und L¹ werden dann auf den Kreis 8 mit Integrationswirkung des Reglers 1 gegeben zur Bildung der veränderlichen Sättigungsschwellen dieses Kreises 8.

Dies führt schliesslich zur Anpassung des Steuersignals Y des Reglers auf den tatsächlichen Positionswert X des Regel-

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organs, in dem ihm ein gegebener konstanter Wert θ₁ oder θ_? hinzugefügt oder davon abgezogen wird. Demnach befindet man sich in der Phase b, in der die Abweichung Y-X positiv ist, oder in der Phase d, in der die Abweichung negativ ist. In den Phasen a und c, in denen die Abweichung gering ist, d. h. im Linearitätsbereich, sind die Sättigungssignale L und L¹ gleich 1 bzw. 0. Dies verändert nicht das Ansprechen des Kreises 8 mit Integrationswirkung, wobei dann das Stellglied 2 normal mit linearer Wirkung arbeitet.

Fig. 6 zeigt die relativen neuen Entwicklungen von Y und X, wobei die Verringerung der Nacheilung T unmittelbar zu sehen ist.

Angewendet auf den tatsächlichen Fall von Fig. 7 und 8 lässt die neue Regelart nach der Erfindung eine neue Nacheilung Ί~ erscheinen, die gegenüber dem Fall von Fig. 3 und 4 extrem verringert ist. Die Öffnung der Injektoren steigt hier nur ein wenig über 0,35 an, um umso schneller auf den neuen Gleichgewichtswert von etwa 0,3 zurückzukommen, ausreichend zum Ansprechen auf die überlast, die die Turbinendrehzahl und die Stromfrequenz plötzlich abgesenkt hatte. Es wurde somit die übergangs-überöffnung der Injektoren merklich begrenzt, die eine Einwirkung auf die Deflektoren, d. h. eine Ausschaltung eines Teils des Wasserdurchsatzes, erforderte. Festzustellen ist auch die schnellere Wiederherstellung der Bezugsfrequenz praktisch ohne Durchlaufen einer Übergangsphase mit Überfrequenz.

Denkbar ist eine Einwirkung auf die Sättigungen eines anderen Kreises als demjenigen mit integraler Wirkung des Reglers, z. B. auf denjenigen mit proportionaler oder differentie"i&er Wirkung. In diesem Fall würde der Rechner zur Herstellung der Sättigungssschwellen L und L¹ die Summe der Antworten der anderen nicht betroffenen Kreise in Rechnung ziehen.

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Das Anwendungsgebiet eines derartigen Regelsystems ist nicht auf dasjenige der Drehzahlregelung von Turbinen begrenzt, sondern betrifft allgemein alle Regelsysteme mit willkürlich nicht-linearen Stellgliedern, z. B. die Steuerung von Walzwerkzylindern oder von Maschinen zum Einspritzen von Kunststoff.

Claims

Patentanwälte 31o-33. 123P(33. 124H) 14. Dez. 1981

BEETZ--LAMPRECHT-BEETZ
München 22 * Steinsdorfstr. 10

NEYRPIC
38 1oo Grenoble, Frankreich

Verfahren zur automatischen Verringerung der Positionsnacheilung eines nicht-linearen Stellglieds

Ansprüche

Verfahren zur automatischen Verringerung der Positionsnacheilung eines nicht-linearen .Stellglieds, das in einen Regelkreis integriert ist, um ein System mit wenigstens einem beweglichen Steuerorgan mit einer charakteristischen Grosse zu regeln, wobei der Regelkreis aufweist:

- einen Regler, der den tatsächlichen Wert der zu regelnden Grosse und den Sollwert derselben Grosse empfängt und in dem das Differenzssignal zwischen diesen beiden Werten auf mehrere PID-Kreise gegeben wird, deren Antworten addiert werden zur Bildung eines Positionsgesamtsignals Y des beweglichen Steuerorgans , und

- ein willkürlich nicht-lineares Stellglied, das das Gesamtpositxonssignal Y des Reglers und den tatsächlichen Positionswert X des beweglichen Steuerorgans empfängt und in dem ein Signal mit einer Abweichung E zwischen diesen beiden Werten auf einen Servomotor-

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mechanismus zur Verstellung des beweglichen Steuerorgans gegeben wird/ wobei die Linearität des Stellglieds nur für einen geringen Bereich der Abweichung E um Null gegeben ist,
dadurch gekennzeichnet ,

- dass beim Arbeiten des Stellglieds (2) ausserhalb seines Linearitätsbereichs das Gesamtpositionssignal

Y des Reglers (1) auf den tatsächlichen Positionswert X. eines Steueorgans (3) angeglichen wird durch Einwirken auf die beiden Sättigungsschwellen wenigstens eines der PiD-Kreise (7, 8, 9), wobei die Werte dieser beiden Sättigungsschwellen ihrerseits in Abhängigkeit von der tatsächlichen Position des Steueorgans und von der Summe der Reaktionen der anderen nicht betroffenen Stellkreise gegeben ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennz.ei cn net/

- dass sie ausser dem Regler und dem Stellglied aufweist:

— einen Positionsdetektor (15) für die Abweichung (E) gegenüber dem Linearitätsbereich des Stellglieds und

— einen gegebenen Rechner (16) zur Herstellung der Sättigungsschwellen des oder der betroffenen Stellkreise in Abhängigkeit vom tatsächlichen Positionswert X des Steuerorgans, von der Position der Abweichung .E. gegenüber dem Linearitätsbereich und von · der Summe der Reaktionen der anderen nicht betroffenen Kreise.