DE3346179C2

DE3346179C2 -

Info

Publication number: DE3346179C2
Application number: DE19833346179
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. 6648 Wadern De Ruppert
Original assignee: Bso Steuerungstechnik 6603 Sulzbach De GmbH
Current assignee: Bso Steuerungstechnik 6603 Sulzbach De GmbH
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1988-12-01
Also published as: DE3346179A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Eine derartige bekannte Regelanordnung (DE 29 45 074 A1) führt dem Positionsregler außer der Regelabweichung der Position eines angetriebenen Objektes auch dessen Änderungsgeschwindigkeit zu, die in einem Differenzierglied aus der Bewegung abgeleitet wird. Dabei handelt es sich um eine reine Rückführung zweier Größen, nämlich der Position und der Änderungsgeschwindigkeit.

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 Übertragungsfunktionen 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.

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 Änderungsgeschwindigkeit 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.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein zusätzliches Stellsignal direkt auf das Stellglied ausgeschaltet, derart, daß durch dieses Stellsignal der Schleppfehler kompensiert wird. Damit wird die Regelgüte erheblich verbessert. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Aufschaltung des zusätzlichen Stellsignals um eine offene und nicht rückgekoppelte Steuerkette, so daß sich keine Stabilitätsprobleme ergeben. Aus der zeitlichen Abfolge der Sollwerte für die Positionen, insbesondere des Walzenspalts einer Profilwalzmaschine, wird die Änderungsgeschwindigkeit V(t) ermittelt. Aus dieser Änderungsgeschwindigkeit wird dann in dem Verstärkungsnetzwerk das direkt dem Reglersignal aufzuschlagende Stellsignal erzeugt, mit dem die zeitliche Verzögerung des Stellglieds und des Antriebes kompensiert wird.

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.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Regelanordnung,

Fig. 2 das gewünschte Walzprofil eines Werkstücks,

Fig. 3 die dem Walzprofil entsprechende Walzspaltänderungsgeschwindigkeit.

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. 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).

Das Vergleichsglied 14 erhält über die Leitung 16 die Führungsgröße W(t), nämlich eine Folge von zeitlich veränderlichen Sollwerten für die Walzspaltabmessung. 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 Fig. 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 = 0 mm bis x _e 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. Es gilt dann

W(t + Δ t) = W(x _(t) + Δ x)

mit Δ x = x · Δ t.

Kann die Durchgangsgeschwindigkeit nicht als konstant angenommen werden, so ist es möglich, die jeweilige Position des Werkstückes zu erfassen und die dazugehörigen Abmessung des Walzenspaltes aus einem nicht dargestellten Speicher abzurufen, indem das zu walzende Profil eingespeichert ist.

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 Übertragungsfunktion F _s des Stellglieds 11 und F _A des Antriebs 10 bedingte Zeitverzögerungen des Regelvorgangs zu verkleinern.

Um die Genauigkeit der Regelung zu verbessern, wird dem Stellglied 11 zusätzlich ein Stellsignal U _d (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.

Das zusätzliche Stellsignal U _D (t) wird in einem Verstärkungsnetzwerk 21 und einem Differenzierglied 22 erzeugt. 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 Fig. 3 ist die zur Profildicke W (Fig. 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 + Δ t), Δ t beliebig, für das gesamte Profil zu Verfügung.

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 + Δ t)}), die sich bei konstanter Werkstückgeschwindigkeit als V(x _{(t + Δ x}), mit Δ x = x · Δ t ergeben.

Unter diesen Annahmen und bei der Verwendung von V(x _(t) + Δ x) kann auf ein dynamisches Verhalten des Verstärkungsnetzwerks 21 verzichtet werden. Das Verstärkungsnetzwerk hat dann eine konstante Verstärkung

Dabei wird die Zahl von Δ 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.

Das Verstärkungsnetzwerk 21 liefert ein Stellsignal U _d (t), welches das Reglerausgangssignal U(t) überproportional verändert und damit die Istgeschwindigkeit y′(t) des Antriebes 10 der Änderungsgeschwindigkeit V(t) des Sollwerts annähert. Um eine weitere Verbesserung des Übertragungsverhaltens F _s des Stellglieds 11 und F _a des Antriebes 10 zu erhalten, muß die Übertragungsfunktion F _N des Verstärkungsnetzwerks 21 im Idealfall invers, also umgekehrt proportional zum Produkt F _s · F _A sein. Zu einer möglichst weitgehenden Realisierung dieser Übertragungsfunktion des Verstärkungsnetzwerkes 21 dient ein Operationsverstärker mit einer Übertragungsfunktion von

Dabei ist in dem Operationsverstärker zusätzlich zur Konstante ein Differenzierglied für den Ausdruck d₁s bzw. b₁s enthalten, um aus der Änderungsgeschwindigkeit V(t) die Beschleunigung zu erhalten, sowie ein weiteres Differenzierglied zur Bildung des Ausdrucks d₂s² bzw. e₂s² als weitere Ableitung der Beschleunigung, um ruckartige Änderungen zu erfassen.

Dies bedeutet, daß durch das Stellsignal des Verstärkungsnetzwerks 21 annähernd das gewünschte Verhalten erreicht wird, wonach schnelle Änderungen des Signals V(t) erzielt werden.

Die Koeffizienten d₀, d₁, d₂, b₀, b₁, b₂ müssen dann in dem Operationsverstärker so gewählt werden, daß die Differenz zwischen der tatsächlichen Verstellgeschwindigkeit y′(t) des Antriebes 10 und der Änderungsgeschwindigkeit 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.

Claims

1. Regelanordnung zum Positionieren eines Antriebes abhängig von zeitlich veränderlichen Werten einer Führungsgröße, mit einem den Antrieb betätigenden Stellglied, einem Regler zum Erzeugen einer Stellgröße, einem Vergleicher, dem die Führungsgröße und die jeweilige Regelgröße zugeführt werden und einem Differenzierglied zum Erzeugen eines die Änderungsgeschwindigkeit darstellenden Signals, das zur Optimierung des Regelvorganges die Stellgröße des Reglers beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) an den Eingang des Differenziergliedes (22) die zeitlich veränderliche Führungsgröße w(t) geschaltet ist,
(b) das die Änderungsgeschwindigkeit v(t) der Führungsgröße darstellende Signal einem Verstärkungsnetzwerk (21) zugeführt wird, von dem die durch das Übertragungsverhalten des Stellgliedes (11) und des Antriebes (10) bedingte zeitliche Verzögerung kompensiert wird und daß
(c) zwischen dem Regler (13) und dem Stellglied (11) ein Additionsglied (20) zum Aufschalten des Ausgangssignals des Verstärkungsnetzwerks auf das Ausgangssignal des Reglers vorgesehen ist.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1 zum Einstellen des Walzenspaltes einer Profilwalzmaschine mit einem hydraulischen Zylinder als Antrieb zum Einstellen des Walzenspaltes und einem die Druckmittelwege zum und vom Zylinder steuernden Mehrwege-Proportionalventil als Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsgröße W(t) die bestimmten Positionen eines Werkstücks entsprechenden Walzenspaltsollwerte dem Differenzierglied (22) zuführbar sind.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte abhängig von den vom Werkstück eingenommenen Positionen ermittelt werden.

4. Regelanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzierglied (22) mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Sollwerte für den Walzenspalt zuführbar sind und die Änderungsgeschwindigkeit V(t) der Sollwerte aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Sollwerte ermittelt wird.

5. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Verstärkungsnetzwerks (21) so gewählt wird, daß das Ausgangssignal u(t) des Reglers (13) überproportional verändert und entsprechend die Differenz zwischen der Verstellgeschwindigkeit y′(t) des Stellgliedes und der Änderungsgeschwindigkeit v(t) der Sollwertfolge minimal wird.

6. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkungsnetzwerks konstant ist.

7. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkungsnetzwerks (21) veränderbar und durch ein Suchverfahren einstellbar ist, indem jeweils entweder die in einem definierten Zeitintervall anfallende Summe der Beträge der Differenzen zwischen den Verstellgeschwindigkeiten y′(t) des Stellgliedes (11) und den Änderungsgeschwindigkeiten V(t) der Sollwertfolge oder die in einem definierten Zeitintervall anfallende Summe der Beträge der aus den Sollwerten W(t) und den Istwerten y(t) gebildeten Regelabweichungen solange eingegeben wird, bis die gebildete Summe unter einem bestimmten Wert liegt, bzw. über eine größere Anzahl definierter Zeitintervalle keine Verbesserung mehr erzielt werden kann.

8. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinander geschaltete Regler (12, 13) vorgesehen sind, wobei dem ersten Regler (12) die aus dem Sollwert W(t) und dem Istwert y(t) des Walzenspaltes gebildete Regelabweichung und dem zweiten Regler (13) die aus dem Ausgangssignal des ersten Reglers (12) und der Verstellgeschwindigkeit y′(t) des Antriebes (10) gebildete Regelabweichung zugeführt wird.

9. Regelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler ein PD-Regler ist.

10. Regelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regler ein PID-Regler ist.

11. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Addierglied (20) zwischen den zweiten Regler (13) und das Stellglied (11) geschaltet ist.