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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung mit den im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Eine häufige Aufgabe der Antriebstechnik ist es, zeitlich veränderliche
Sollpositionen z.B. eines Werkzeuges möglichst genau auszufahren. Sollen Werkstücke
durch Walzen profiliert werden, so ist es erforderlich, den Walzenspalt während
des Durchgangs des Werkstücks laufend zu verstellen, um das gewünschte Profil des
Werkstücks herstellen zu können. Abhängig von der Position des Werkstückes im Walzenspalt
müssen also die durch entsprechende Sollwerte vorgegebenen Abmessungen für den Walzenspalt
eingestellt werden. Hierzu dient eine Regelung, bei der in bekannter Weise die sich
zeitlich verändernden Sollwerte und die Regelgröße, also die Istwerte des eingestellten
Walzenspaltes einer Vergleichsstufe zugeführt werden, deren Regelabweichung einem
Regler zugeführt wird, der ein Stellsignal für das Stellglied des Antriebes für
die Einstellung des Walzenspalts liefert. Um die durch Zeitverzögerungen und die
Ubertragungsfunktionen der einzelnen Glieder der Regelkette verursachte Fehlerabweichung
bzw. den Schleppfehler des Antriebes für den Walzenspalt zu verringern, ist es auch
bekannt, die Verstellgeschwindigkeit des Antriebes, insbesondere eines Linearzylinders
für den Walzenspalt als zusätzliche Rückführgröße zu verwenden.
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Bei dieser Art der Regelung ist es praktisch nicht möglich, ein schleppfehlerfreies
Nachfahren der vorgegebenen Sollbahn zu erzielen. Die Größe des Schleppfehlers hängt
dabei ab von der Anderungsgeschwindigkeit der Sollwerte und der zulässigen Kreisverstärkung
der Regelanordnung. Ein Integralanteil im Regler, der in der Lage wäre, bei konstanten
Änderungsgeschwindigkeiten den Schleppfehler zu kompensieren, bereitet häufig Probleme
wegen des dann doppelt integrierenden Verhaltens, das zu
Stabilitätsproblemen
führt. Auch einer beliebigen Erhöhung der Kreisverstärkung sind enge Grenzen gesetzt,
da eine zu große Kreisverstärkung die Schwingungsneigung der Regelanordnung erhöht
und ebenfalls zur Instabilität führt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin,
den Schleppfehler weitgehend zu unterdrücken, ohne daß zusätzliche Stabilitätsprobleme
entstehen. Ferner soll die Aufgabe mit verhältnismäßig einfachen Mitteln gelöst
werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein zusätzliches Stellsignal direkt auf das Stellglied
aufgeschaltet, derart, daß durch dieses Stellsignal der Schleppfehler kompensiert
wird. Damit wird die Regelgüte erheblich verbessert 5 Erfindungsgemäß handelt es
sich bei der Aufschaltung des zusätzlichen Stellsignals um eine offene und nicht
rückgekoppelte Steuerkette, so daß sich keine Stabilitätsprobleme ergeben.
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Aus der zeitlichen Abfolge der Sollwerte für die Positionen, insbesondere
des Walzenspalts einer Profil walzmaschine, wird die Änderungsgeschwindigkeit V(t)
ermittelt Aus dieser Anderungsgeschwindigkeit wird dann in dem Verstärkungsnetzwerkdas
direkt dem Reglersignal aufzuschaltende Stellsignal erzeugt, mit dem die zeitliche
Verzögerung des Stellglieds und des Antriebes kompensiert wird.
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Erfindungsgemäß kann bei einer Anlage mit einem hydraulischen Zylinder
als Antrieb der Schleppfehler um mehr als den Faktor 10 gegenüber der bekannten
Regelanordnung verringert werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 ein Blockschaltbild der Regelanordnung, Figur
2 das gewünschte Walzprofil eines Werkstücks, Figur 3 die dem Walzprofil entsprechende
Walzspaltänderungsgeschwindigkeit.
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Bei dem Antrieb 10 handelt es sich um einen hydraulischen Zylinder,
durch dessen Betätigung der Walzspalt an einem nicht dargestellten Walzgerüst eingestellt
wird. Der Antrieb 10 wird von einem Stellglied 11 in Gestalt eines elektrisch angesteuerten
Proportionalventils betätigt, das die Druckmittelwege zwischen dem Zylinder und
einer nicht dargestellten Pumpe bzw. einem ebenfalls nicht dargestellten Tank steuert.
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Für die Antriebsregelung sind zwei Regler 12 und 13 vorgesehen, denen
jeweils ein Vergleichsglied 14 und 15 vorgeschaltet ist. Der Regler 12 ist ein PD-Glied
(Proportional-Differenzier-Regler) und der Regler 13 ein PID-Glied (Proportional-Integral-Differenzier-Regler).
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Das Vergleichsglied 14 erhält über die Leitung 16 die Führungsgröße
W(t), nämlich eine Folge von zeitlich veränderlichen Sollwerten für die Walzspaltabmessung.
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Soll ein Werkstück beim Durchgang durch den Walzenspalt ein bestimmtes
Dickenprofil erhalten, so ist es erforderlich, während des Durchgangs den Walzenspalt
W auf das vorgegebene Profil zu regeln. Zu jeder Position x des Werkstückes beim
Durchgang gehört somit eine bestimmte Abmessung W des Walzenspalts. In Figur 2 ist
das gewünschte Profil dargestellt. Damit läßt sich das Diagramm W = W (x) abspeichern,
wobei jeweils eine Walzspaltdicke W pro Millimeter gespeichert wird, d.h.,
man
erhält eine Tabelle, die für jede Position x von x0 = O mm bis Xe einen Wert W (x)
für die Dicke des Walzspaltes enthält. Wird die Durchgangsgeschwindigkeit x des
Werkstückes als konstant angenommen, so ändern sich die Sollwerte für den Walzenspalt
zeitabhängig.
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Es gilt dann W (t +ast) = W (X(t) + x) mitb x = x 4 t.
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Kann die Durchgangsgeschwindigkeit nicht als konstant angenommen werden,
so ist es möglich, die jeweilige Position des Werkstückes zu erfassen und die dazugehörige
Abmessung des Walzenspaltes aus einem nicht dargestellten Speicher abzurufen, indem
das zu walzende Profil eingespeichert ist.
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Die Regelgröße, also den Istwert des eingestellten Walzenspaltes erhält
der Vergleicher 14 über die Leitung 17 und bildet durch Vergleich mit der Führungsgröße
ein Signal, das dem Regler 12 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Reglers 12
gelangt in den zweiten Vergleicher 15, dem über die Leitung 18 eine weitere Regelgröße,
nämlich die Verstellgeschwindigkeit des Antriebes 10 zugeführt wird. Die im Vergleicher
15 gebildete Regelabweichung wird in den Regler 13 eingegeben, dessen Ausgangssignal
nach einer Korrektur in einer Addierstufe 20 als Stellsignal dem Stellglied 11 zugeführt
wird. Insoweit handelt es sich um eine bekannte Regelschaltung mit einem inneren
Regler 13 und einem äußeren Regler 12, wobei der eine die Regelgröße y(t) als Istwert
der Walzspaltabmessung und der andere Regler die Verstellgeschwindigkeit y' (t)
erhält, um durch die Ubertragungsfunktion F des Stell-5 glieds 11 und FA des Antriebs
10 bedingte Zeitverzögerungen des Regelvorgangs zu verkleinern.
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Um die Genauigkeit der Regelung zu verbessern, wird dem Stellglied
11 zusätzlich ein Stellsignal Ud(t) aufgeschaltet. Dieses Stellsignal wird in der
Addierstufe 20 zu dem Ausgangssignal U(t) des Reglers 13 addiert und verändert das
Signal des Reglers 13 in einem überproportionalen Maße derart, daß die Reaktion
des Stellgliedes und damit des Antriebes beschleunigt wird.
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Das zusätzliche Stellsignal Ud(t) wird in einem Verstärkungsnetzwerk
21 und einem Differenzierglied 22 erzeugt.
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Der Eingang des Differenziergliedes 22 erhält die zeitlich veränderlichen
Positionssollwerte W(t) von der Leitung 16. Durch Differenzieren nach der Zeit t
wird im Differenzierglied 22 aus der zeitlich veränderlichen Führungsgröße W(t)
die Änderungsgeschwindigkeit V(t) der Führungsgröße, nämlich die Walzspaltänderungsgeschwindigkeit
V(t) gewonnen. In Figur 3 ist die zur Profildicke W (Figur 2) gehörige Walzspaltänderungsgeschwindigkeit
V in Abhängigkeit von der Position x bei konstanter Werkstückgeschwindigkeit dargestellt.
Solange die Durchgangsgeschwindigkeit des Werkstücks konstant ist, stehen zu jedem
Zeitpunkt auch die zukünftigen Sollwerte für die Walzspaltabmessung zur Verfügung.
Dies bedeutet, man hat zu jedem Zeitpunkt t alle zukünftigen Sollgeschwindigkeiten
V (t +d t) at beliebig, für das gesamte Profil zur Verfügung.
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Für die Berechnung der Sollgeschwindigkeiten der Walzspaltänderungen
werden nicht die Geschwindigkeiten V (x(t)) zu jedem Zeitpunkt t verwendet, sondern
die Geschwindigkeiten V (x(t + tut)) die sich bei konstanter Werkstückgeschwindigkeit
als V (x(t) +t x), mit bx = x zu t ergeben.
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Unter diesen Annahmen und bei der Verwendung von V(x(t) + dz) kann
auf ein dynamisches Verhalten des Verstärkungsnetzwerks 21 verzichtet werden. Das
Verstärkungsnetzwerk hat dann eine konstante Verstärkung d FN = K= 0 Dabei wird
die Zahl von x, um die die Sollgeschwindigkeit in der Tabelle im voraus bestimmt
wird, an der Profilwalzmaschine so eingestellt, daß sich - zusammen mit der Anpassung
anderer freier Parameter - gute Ergebnisse einstellen.
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Das Verstärkungsnetzwerk 21 liefert ein Stellsignal Ud(t), welches
das Reglerausgangssignal U(t) überproportional verändert und damit die Istgeschwindigkeit
y" (t) des Antriebes 10 der Xnderungsgeschwindigkeit V(t) des Sollwerts annähert.
Um eine weitere Verbesserung des Ubertragungsverhaltens F5 des Stellglieds 11 und
Fa des Antriebes 10 zu erhalten, muß die Ubertragungsfunktion FN des Verstärkungsnetzwerks
21 im Idealfall invers, also umgekehrt proportional zum Produkt F5 FA sein. Zu einer
möglichst weitgehenden Realisierung dieser Übertragungsfunktion des Verstärkungsnetzwerkes
21 dient ein Operationsverstärker mit einer Obertragungsfunktion von
Dabei ist in dem Operationsverstärker zusätzlich zur Konstante do ein Differenzierglied
für den Ausdruck bo d1 s bzw. b1 s enthalten, um aus der Xnderungsgeschwindigkeit
V(t) die Beschleunigung zu erhalten, sowie ein weiteres Differenzierglied zur Bildung
des Ausdrucks d2 s bzw. e2 s2 als weitere Ableitung der Beschleunigung, um ruckartige
Anderungen zu erfassen.
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Dies bedeutet, daß durch das Stellsignal des Verstärkungsnetzwerks
21 annähernd das gewünschte Verhalten erreicht wird, wonach schnelle änderungen
des Signals V(t) erzielt werden.
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Die Koeffizienten d,, d1, d2, bot b1, b2 müssen dann in dem Operationsverstärker
so gewählt werden, daß die Differenz zwischen der tatsächlichen Verstellgeschwindigkeit
y' (t) des Antriebes 10 und der Anderungsgeschwindigkeit V(t) für alle Zeiten minimal
wird. Die Einstellung des Operationsverstärkers auf die genannte Bedingung kann
in einem Suchverfahren erfolgen. Dabei bildet das über die Zeit integrierte bzw.
summierte Differenzsignal
oder
das Eingangssignal für den Sucher, der ein Ausgangssignal liefert, das die vorgenannten
Koeffizienten des Operationsverstärkers solange ändert, bis das Eingangssignal des
Suchers minimal wird.
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