DE3207815A1

DE3207815A1 - Regeleinrichtung fuer regelstrecken mit veraenderlicher streckenverstaerkung

Info

Publication number: DE3207815A1
Application number: DE19823207815
Authority: DE
Inventors: Kurt Ewe; Edmund Dipl.-Ing. 7514 Eggenstein Linzenkirchner; Hubert Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Theilmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1983-09-15
Also published as: JPS58165104A; DE3207815C2

Description

Regeleinrichtung für Regelstrecken mit veränderlicher
Stre ckenverstärkung Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Regelstrecken mit veränderlicher Streckenverstärkung, miteinem ein ehrpunktschaltglied mit über einen Steuereingang einstellbarer Totzone enthaltenden Regler, dessen Stellimpulse einen integral wirkenden Stellantrieb eines Stellglieds mit nichtlinearer Ubertragungskennlinie steuern.
Bei derartigen Regeleinrichtungen integrieren die Stellantriebe, die von den schaltenden- Reglern über entsprechende Leistungsschalter angesteuert werden, die Reglerausgangsimpulse (Stellimpulse), so daß eine stetig-ähnliche StelI-charakteristik erreicht wird. Es ist eine Eigenschaft der integral wirkenden Stellantriebe, insbesondere der elektromotorischen Stellantriebe und der sie steuernden Leistungsschalter, daß die Stellimpulse eine Mindestimpulsdauer nicht unterschreiten dürfen.
Durch die indestimpulsdauer t thymin wird bei gegebener Stellzeit Ty des Stellantriebs die kleinste mögliche Stellwegänderung thymin bestimrnt.
Diese ergibt sich unter Vernachlässigung von Lose, Hochlaufzeit und Nachlauf des Antriebs annähernd aus der Beziehung tymin #ymin = 100 % (1) Ty Im geschlossenen Regelkreis bestimmen diese kleinsten Stellschritte die erreichbare Regelgenauigkeit. Das Mehrpunktschaltglied im Regler ist mit einer Totzone ausgestattet, die so groß ist, daß die durch die kleinsten Stellschritte hervorgerufenen Regelgrößen-änderungen nicht zu einem erneuten Ansprechen des Reglers in Gegenrichtung führen, da sonst eine Dauerschwingung auftreten würde.
Die einzustellende Totzone T ist eine Funktion von Streckenverstärkung und kleinstmöglicher Stellwegänderung, sie wird durch die Beziehung TVs thymin E % vom Bereichs-Endwert der (2) Regelgr beschrieben, wobei V5 die Regelstreckenverstärkung, das ist das Verhältnis von Regelgrößenänderung #x zu Stellgrößenänderung # y,ist.
Wird die Totzone im Regler größer als dieser Wert einer.
stellt, verschlechtert sich die an sich erreichbare Regelgenauigkeit. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn sich während des Betriebs die Regelstreckenverstärkung Vs zu kleineren Werten ändert.
Die Einstellung der Totzone erfolgte bisher so, daß im geschlossenen Regelkreis bei der größten vorkommenden Regelstreckenverstärkung noch keine Dauerschwingung auftritt.
In allen Arbeitspunkten mit kleinerer Regelstreckenverstärkung wird bei dieser Einstellung nicht die bestmögliche statische Regelglenauigkeit erreicht.
Beträgt z. B. die größte vorkommende Regelstreckenverstärkung 5 und die kleinste mögliche Stellwegänderung thymin = 0,2 %, dann muß die Ansprechschwelle eines Dreipunktschalters auf + 0,5 von der Regelgröße eingestellt werden, was einer Totzone von 1 % entspricht. Die Regelabweichung im stationären Zustand kann damit bis zu + 0,5 % betragen, obwohl in einem anderen Arbeitspunkt, wo die Regelstreckenverstärkung nur 0,5 beträgt, eine Totzone von 0,1 % eingestellt werden könnte.
Es besteht sornit die Aufgabe, die Totzone des Mehrpunkt--schaltglieds im Regler automatisch an die sich ändernde Regelstreckenverstärkung anzupassen.
Eine Lösung der Aufgabe bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gegeben.
Damit wird sichergestellt, daß keine Dauerschwingung auftreten kann und daß immer die bestmögliche Regelgenauigkeit erreicht wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen.
Figur 1 zeigt ein tJbersichtsschaltbild, Figuren 2 und 3 zeigen Schaltungsbeispiele des Adaptionsgliedes.
Figur 1: Am Ausgang einer Regelstrecke S mit dem Zeitverhalten T wird die Regelgröße x abgegriffen und als eine Eingangsgröße dem Regler R zugeführt. Aus der Regelgröße x und der als zweite Eingangsgröße dem Regler R zugeführten Führungsgröße w wird in einer Vergleichsstelle im Regler die Regeldifferenz xd gebildet und einer weiteren subtraktiven Verknüpfungsstelle zugeführt, auf welcher das Rückführsignal aus der Rückführung RF aufgeschaltet ist. Die dort gebildete Differenz wird als Eingangssignal xs dem Mehrpunktschaltglied 1 des Reglers R zugeführt. Das Mehrpunktschaltglied 1 weist eine symmetrisch zum Nullpunkt liegende Totzone T auf, die von den Ansprechschwellen +A und -A begrenzt wird. Bewegt sich das Eingangssignal xs innerhalb dieser Totzone T, führt das Mehrpunktschaltglied 1 kein Ausgangssignal. Uberschreitet jedoch das Eingangssignal xs je nach Vorzeichen die Ansprechschwelle +A bzw. -A, tritt am Ausgang des Mehrpunktschaltglieds 1 und hier auch des Reglers jeweils ein Stellimpuls +a bzw.
-a mit einstellbarer Mindestimpulsdauer auf, dessen Vorzeichen die Stellrichtung bestimmt.
Vom Ausgangssignal des Reglers R wird ein integral wirkender Stellantrieb 2 angesteuert, der ein Stellglied 3 mit nichtlinearer Ubertragungscharakteristik als Eingang der Regelstrecke S, beispielsweise eine Drosselklappe,verstellt. Die jeweilige Stellung des Stellantriebs 2 bestimmt die Stellgröße y als Eingangsgröße der Regelstrecke S. Die Stellgröße y wird üblicherweise als Eingangsgröße der Rückführung RF im Regler R aufgeschaltet.
Wenn die Surnrne der Regelstreckenzeitkonstanten T. sehr klein ist gegenüber der Stellzeit des Stellantriebs 2, was beispielsweise bei Durchflußregelstrecken oder bei vielen Druckregelstrecken der Fall ist, kann auf eine Rückführung RF verzichtet werden. Das Eingangssignal xs des Mehrpunktschaltglieds 1 im Regler R entspricht dann der Regeldifferenz xd.
Die.Totzone T läßt sich mit Hilfe eines Steuersignals z, das einem Steuereingang im Mehrpunktschaltglied 1 zugeführt wird, vergrößern oder verkleinern.
Das Steuersignal z zur Änderung der Breite der Totzone T wird hier erfindungsgemäß von dem Adaptionsglied AG geliefert, und zwar in Abhangigkeit von dem Ausgangssignal des Mehrpunktschaltglieds 1 als Funktion f(xs) des Eingangssignals x5 oder von diesem Eingangssignal selbst.
Treten am Ausgang des Mehrpunktschaltglieds 1 innerhalb einer vorgebbaren, von Parametern des Regelkreises abhängigen, vorzugsweise der Periodendauer der langsamsten Dauerschwingung entsprechenden Zeit mehrere, vorzugsweise drei Stellimpulse wechselnder Polarität auf, so ist -dies ein Zeichen, däß die 'Totzone T zu klein eingestellt ist.
Von dem Steuersignal z des Adaptionsglieds AG wird dann die Totzone T relativ schnell vergrößert und dannlangam, d. h. mit großer Zeitkonstante, wieder verkleinert, bis erneut Stellimpulse rnit wechselnden Vorzeichen auftreten und eine Verbreiterung der Totzone bewirken.
In Figur 2 ist in einem Ausführungsbeispiel der Aufbau und die Wirkungsweise des Adaptionsglieds AG dargestellt.
Der Ubersichtlichkeit halber ist nur das für die Funktion wichtige Mehrpunktschaltglied,i des Reglers R nach Figur 1 eingezeichnet. Das-Mehrpunktschaltglied 1 weist zwei Ausgänge auf, von denen der eine den positiven Stellimpuls +a, der andere den negativen Stellimpuls -a führt.
In dem Adaptionsglied AG wird ein erstes Zeitglied 5 mit der Laufzeit t1 von dein positiven Ausgangssignal +a angesteuert. Die hier erwähnten Zeitglieder sind elektronische Schaltungen, die, von einem Eingangsimpuls angestoßen, während ihrer Laufzeit ein Ausgangssignal abgeben.
Der erste Eingang eines UND-Glieds 6 ist mit dem Ausgang des Zeitglieds 5 verbunden, sein zweiter Eingang mit dem die negativen Stellimpulse -a führenden Ausgang des Mehrpunktschaltglieds 1. Der Ausgang'des UND-Glieds 6 ist mit dem Eingang eines zweiten Zeitglieds 7 mit der Laufzeit t2 verbunden.
Es folgt ein zweites UND-Glied 8 mit drei Eingängen, auf dessen ersten Eingang die positiven Stellimpulse +a des Mehrpunktschaltglieds 1, auf dessen zweiten Eingang der Ausgang des ersten Zeitglieds 5 und auf dessen dritten Eingang der Ausgang des zweiten Zeitglieds 7 geschaltet ist.
Vom Ausgangssignal des UND-Glieds 8 wird ein. drittes Zeitglied 9 mit der Laufzeit t3 angesteuert.
Dessen Ausgang ist mit dem positiven Eingang eines Differenzglieds 10 verbunden, an dessen Negativeingang eine einstellbare Spannungsquelle 11 geschaltet ist. Auf das Differenzglied-lO folgt ein Integrationsglied 12, dessen Ausgangssignal, vorzugsweise in Forni einer Spannung, das Steuersignal z für die Einstellung der Totzone T im .Nlehrpunktschaltglied 1 des Reglers R ist.
Die Funktion des Adaptionsglieds AG ist folgende: Wird das Eingangssignal x5 des Mehrpunktschaltglieds 1 größer als die Ansprechschwelle +A, tritt an dem ersten Ausgang ein positiver Stellimpuls +a auf, das Zeitglied 5 wird angestoßen und führt während seiner Laufzeit t1 ein Ausgangssignal. Tritt während der Laufzeit t1 ein Gegenimpuls -a auf, weil die Eingangsgröße x5 die Ansprechschwelle -A unterschritten hat, schaltet das UND-Glied 6 durch und setzt das zweite Zeitglied 7 mit der Laufzeit t2 in Gang.
Tritt während der Laufzeiten der'Zeitglieder 5 und 7 wieder ein positiver Stellimpuls +a auf, wird das zweite UND-Glied 8 durchlässig und steuert das dritte Zeitglied 9 an. Das Ausgangssignal des Integrationsglieds 12 erhöht sich dann um einen von der Laufzeit t3 des dritten Zeitglieds 9 und der(Integrationszeitkonstanten abhängigen Betrag, was zu einer Verbreiterung der Totzone T führt.
Die Laufzeiten t1 und t2 der Zeitglieder 5 und 7 sind so eingestellt, daß sie über der Periodendauer der langsamsten Dauerschwingung im Regelkreis liegen.
Nach Ablauf ihrer Laufzeiten t1 bzw. t2 bzw. durch das Aufschalten eines vom Ausgang des zweiten UND-Glieds 8 abgeleiteten Rücksetzimpulses werden die Ausgangssignale der Zeitglieder 5 und 7 wieder zu Null. Das Zeitglied 7 wird außerdem zurückgesetzt, wenn das Zeitglied 5 kein Ausgangssignal führt.
Nach Ablauf des dritten Zeitglieds 9 bewirkt die negativ geschaltete Spannung aus der Spannungsquelle 11 eine langsame Entladung des Integrationsglieds 12 und damit eine Absenkung seiner Ausgangsspannung. Dies bewirkt wiederum, daß die Totzone T so lange verkleinert wird, bis am Ausgang des Mehrpunktschaltglieds l.wieder die drei Stellimpulse wechselnder Polarität während eines bestimmten Zeitraums auftreten und damit in der beschriebenen Weise eine Erhöhung des Ausgangssigrlals des Integrationsglieds 12 und eine Verbreiterurìr der Totzone T bewirken.
Die Spannungsquelle 11 kann im einfachsten Falle so ein gestellt sein, daß sie eine Konstantspannung liefert, die klein ist gegenüber der Ausgangsspannung des dritten Zeitglieds 9. Sie kann jedoch auch, wie später beschrieben, in Abhängigkeit von der Stellgrößenänderung a y in der Zeit gesteuert werden.
Die Breite der Totzone T wird so in zyklischer Folge vergrößert bzw. verkleinert und damit ständig an eine wechselnde Streckenverstärkung angepaßt.
In Figur 3 ist eine Erweiterung der in Figur 2 gezeigten Schaltung des Adaptionsglieds AG dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu der in Figur 2 gezeigten Schaltung besteht darin, daß nunmehr das Adaptionsglied AG ein Dreipunktschaltglied 1' mit einstellbarer Totzonte T' mit den Ansprechschwellen -A' und +A' enthält und dessin Eingang mit dem Eingang des Mehrpunktschaltglieds 1 des Reglers verbunden ist und demgemäß ebenfalls das Eingangssignal xs führt.
Die die Impulse +a' und -a' führenden Ausgänge des Dreipunktschaltglieds 1 sind in der bereits in Figur 2 beschriebenen Weise mit den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Schaltungsbausteinen 5 bis 12 des Adaptionsglieds AG verknüpft und verbunden.
Die Totzone T des Mehrpunktschaltglieds 1 im Regler wird um einen geringen Betrag größer eingestellt als die Totzone T', etwa entsprechend der Beziehung T = T (1 + d) mit 0,005 - d 4 0,05 Dies wird dadurch erreicht, daß dem aus dem Integrationsglied 12 herrührenden Steuersignal z in einer Additionsstelle 14 eine d entsprechende Spannung u aus der Spannungsquelle 15 zugefügt und z + u = z wird, welches als Steuersignal die Totzone T im Mehrpunktschaltglied 1 des Reglers bestimmt.
Die von der Spannungsquelle 15 abgegebene Spannung kann - wie gestrichelt angedeutet - proportional zum Steuersignal z oder auf andere entsprechende Weise automatisch eingestellt werden.
Die Totzone T im Mehrpunktschaltglied l.wird so bereits vergrößert, bevor das Eingangssignal x' die Ansprechschwel-5 len +A oder -A überschritten hat. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn dem Eingangssignal xs ein höherfrequentes Störsignal überlagert ist.
Mit dieser Ausführung des Adaptionsglieds AG wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Zahl der vom Regler R in Vebindung mit der Adaption der Totzone T abgegebenen Stellimpulse +a und damit die Beanspruchung des Stellantriebs verringert wird.
In der Figur 3 ist auch eine weitere Ausführungsform der einstellbaren Spannungsquelle 11 angegeben, welche auf den Negativcingang des Differenzglieds 10 vor dem Integrationsglied 12 wirkt.
Die einstellbare Spannungsquelle besteht hier aus einem Impulsgeber 11 rnit einem vierten Zeitglied 16 mit der Laufzeit t4, welches von einem Taktgenerator 17 angestoßen wird. Während der Laufzeit t4 des Zeitglieds 16 wird der Betrag des Ausgangssignals des Integrationsglieds 12 verkleinert. Die Einstellung der Taktfrequenz des Taktgenerators 17 und der Laufzeit t4 ist so getroffen, daß die Verkleinerung des Ausgangssignals z - des Integrationsglieds 12 mit relativ großcr Zeitkonstante erfolgt, d. h., die Laufzeit t4 ist kleiner als die Tastzeit des Taktgenerators 17.
Die Taktfrequenz kann bei Bedarf in Abhängigkeit von der Stellgrößenänderung gesteuert werden. Dazu wird ein aus dem Regelkreis entnommenes und der Stellgröße y entsprechendes Signal einem Schaltglied 18 zugeführt, in welchem ein dem Differenzen- oder Differentialquotient der Stellgröße nach der Zeit entsprechendes Signal gebildet wird. Damit wird erreicht, daß die Totzone T im Mehrpunktschaltglied 1 des Reglers R nicht oder nur selten verkleinert wird, wenn keine oder nur kleine Stellgrößenänderungen auftreten, wohingegen bei größeren Stellgrößenänderungen eine beschleunigte Adaption stattfindet.
Das bewirkt eine weitere Reduzierung der durch die Adaption verursachten Schaltvorgänge im Regelkreis.
11 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche Regeleinrichtung für Regelstrecken mit veränderlicher Streckenverstärkung, mit einem ein Mehrpunktschaltglied mit einstellbarer Totzone enthaltenden Regler, dessen Stellimpulse einen integral wirkenden Stellantrieb eines Stellglieds mit nichtlinearen Ubertragungskennlinien steuern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Totzone (T) des Mehrpunktschaltglieds (1) mit Hilfe eines Adaptionsglieds (AG) in Abhängigkeit von mehreren, innerhalb eines vorgebbaren Zeitabschnitts aufeinanderfolgenden Stellimpulsen (+a) wechselnder Polarität einstellbar ist.
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 die Totzone (T) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Adaptionsglieds (AG) veränderbar ist.
3. Regeleinrichtung 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 das Adaptionsglied (AG) besteht aus a) einem von positiven Stellimpulsen (+a) des Reglers (R) angesteuerten ersten Zeitglied (9) mit der Laufzeit (t1), b) einem UND-Glied (6), dessen erster Eingang mit dem Ausgang des ersten Zeitglieds (5) und dessen zweiter Eingang mit dem die negativen Stellimpulse (-a) führenden Ausgang des Mehrpunktschaltglieds (1) im Regler (R) verbunden ist, c) einem zweiten Zeitglied (7) mit der Laufzeit (t2), dessen Eingang mit dem Ausgang des UND-Glieds (6) verbunden ist, d) einem zweiten UND-Glied (8) mit drei Eingängen, an dessen ersten Eingang der die positiven Stellimpulse (+a) führende Ausgang des NIehrpurlktschaltglieds (1), an dessen zweiten Eingang der Ausgang des ersten Zeitglieds (5) und an dessen dritten Eingang der Ausgang des zweiten Zeitglieds (7) geschaltet sind, e) einem dritten Zeitglied (9) mit der Laufzeit (t3), dessen Eingang mit dem Ausgang des zweiten UND-Glieds (8) verbunden ist, f) einem Differenzglied (10), an dessen Positiveingang der Ausgang des dritten Zeitglieds (9) und an dessen Negativeingang eine einstellbare Spannungsquelle (11) geschaltet ist, g) einem Integrationsglied (12), dessen Eingang mit dem Ausgang des Differenzglieds (10) und dessen Ausgang das Steuersignal (z) zur Adaption der Totzone (T) im Mehrpunktschaltglied (1) des Reglers (R) führt.
.4. Regeleinriqhtung nach Anspruch l oder 2, g e k e n n z e i c h n e !t d u r c h ein Adaptionsglied (AG) mit a) einem Dreipunktschaltglied (1') mit einstellbarer Totzone (T'), dessen Eingang mit dem Eingang des Mehrpunktschaltilieds (1) im Regler (R) verbunden ist, b) einem von den positiven Ausgangsimpulsen (+a) des Dreipunktsc altglieds (1') angesteuerten ersten Zeitglied (5) m t der Laufzeit (t1), c) einem UND-G 1ied (6), dessen einer Eingang mit dem Ausgangssigral des ersten Zeitglieds (5) und dessen anderer Ein 'ang mit den negativenAusgangsimpulsen (-a' des Dreipunk jtschalters beaufschlagt ist, d) einem zweiten Zeitglied (7) mit der Laufzeit (t2), dessen Eingang mit dem Ausgang des UND-Glieds (6) verbunden ist, e) einem zweites UND-Glied (8) mit drei Eingängen, an dessen ersten Eingang der die positiven Impulse (+a') führende Ausgang des Dreipunktschalters (1'), an dessen zweiten Eingang der Ausgang des ersten Zeitglieds (5) und an dssen dritten Eingang der Ausgang des zweiten %Zeitglieds (7) angeschlossen ist, f) einem dritten Zeitglied (9) mit der Laufzeit (t3), dessen Eingang mit dem Ausgang des zweiten UND-Glieds (8) verbunden ist, g) einem Differenzglied (10), an dessen Positiveingang der Ausgang des dritten Zeitglieds (9) und an dessen Negativeingang eine einstellbare Spannungsquelle (11) geschaltet ist, h) einem Integrationsglied (12), dessen Eingang an den Ausgang des Differenzglieds (10) und dessen Ausgang an den Steuereingang für die Totzone (T') des Dreipunktschalters (1') angeschlossen ist, i) einer Additionsstelle (14), deren einer Eingang mit dem Ausgang des Integrationsglieds (12), deren anderer Eingang mit einer Spannungsquelle (15) und deren-Ausgang mit dem Steuereingang f-ür die Totzone (T) des Mehrpunktschaltglieds (1) im Regler (R) verbunden ist.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c g e k e n n z ei i c h ne t , daß die Laufzeiten (t1, t2) der Zeitglieder (5 und 7) größer sind als die Periodendauer der langsamsten Dauerschwingung im Regelkreis.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsquelle am Negativeingang des Differenzglieds (10) eine konstante Spannung abgibt, die klein ist gegen die Ausgangsspannung des dritten Zeitglieds (9).
7. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsquelle (11) am Negativeingang des Differenzglieds (12)'eine zur Änderung der Stellgröße (y) proportionale Spannung abgibt.
8. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsquelle (11) am Negativeingang des Differenzglieds (10) ein Im-Impulsgeber (11') ist.
9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Impulsgeber (11') aus einem von einem Taktgenerator (17) angesteuerten vierten Zeitglied (16) besteht, wobei die Laufzeit (t4) des Zeitglieds (16) kleiner ist als die Tastzeit des Taktgenerators (17).
10. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Taktfrequenz des Impulsgebers(11') proportional zur Änderung der Stellgröße (y) steuerbar ist.
11. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 i), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannung (u') am zweiten Eingang der Additionsstelle (14) so bemessen ist, daß die Totzone l(T) im Mehrpunktschaltglied (1) des Reglers größer ist als die Totzone (T') im Dreipunktschalter (1') des Adaptionsglieds (AG) gemäß der Beziehung T = T (1 + d) mit 0,005 d z 0,05.