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Verfahren zur Regelung einer beliebigen Anzahl parallel be-
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triebener Zylinder zur Erreichung synchroner Bewegungen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer beliebigen Anzahl parallel betriebener
Zylinder zur Erreichung synchroner Bewegungen, wobei ein Sollwert w jedem Zylinder
über einen Regelkreis mit Übertragungsfunktion (Gi) und Rückführung (Hi) zugeleitet
wird, und einer der Regelkreise als Führungskreis benutzt wird. Die Zylinder können
sowohl hydraulisch als auch pneumatisch betrieben werden, also durch ein Fluid gleich
welcher Art. Die Erfindung ermöglicht es, in einem weiten, jeweils auswählbaren
Frequenzbereich eine amplituden- und phasenmäßige Synchronisierung mehrerer gleichzeitig
eingesetzter bzw. betriebener Zylinder zu erreichen. Die Erfindung ist auch anwendbar,
wenn die Zylinder pulsierend betrieben werden, wie dies beispielsweise an einem
Rütteltisch der Fall sein kann.
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Beim gleichzeitigen Einsatz von mehreren Zylindern, beispielsweise
in einem Versuchsstand, ist oft eine Synchronisierung der verschiedenen Zylinderbewegungen
erforderlich. Oft können nur durch einen exakt abgestimmten Bewegungsablauf der
verschiedenen Zylinder innere Systemzwangkräft eund/oder Störbewegungen vermieden
werden.
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Wenn bisher mehrere Zylinder parallel zueinander betrieben werden,
ist es bekannt, diese wie folgt aufeinander abzustimmen.
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Die einzelnen Bauteile der Antriebe der Zylinder, insbes. die dabei
eingesetzten Servoventile werden einer äußerst sorgfältigen Herstellung und sodann
einer Auswahl unterworfen. Hierdurch kann ein nahezu identisches Übertragungsverhalten
der verschiedenen Zylinder erreicht werden. Diese Vorgehensweise ist aber wegen
der Kosten - infolge der einzuhaltenden engen Fertigungstoleranzen - teuer.
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Es ist weiterhin ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bekannt,
bei dem das Übertragungsverhalten eines jeden Kreises, also der Antrieb für je einen
Zylinder, durch Einbringen einer elektronischen Zusatzschaltung modifiziert wird.
Dabei wird die elektronische Zusatzschaltung im Vorwärtszweig der einzelnen Regelkreise
eingesetzt, wodurch eine passive Kompensation des Übertragungsverhaltens der verschiedenen
Regelkreise erreicht werden kann. Eine Beeinflussung des benachbarten Regelkreises
durch einen anderen Regelkreis findet jedoch nicht statt. Dies wird als passive
Kompensation bezeichnet. Hierbei wird ein Regelkreis infolge eines visuellen Vergleichs
als Führungs-Regelkreis erklärt. Alle anderen Regelkreise werden dann manuell auf
diesen Führungs-Regelkreis abgestimmt. Dabei kann vorausgesetzt werden, daß das
Übertragungsverhalten der Rückführungen der verschiedenen Regelkreise identisch
ist. Dies läßt sich in der Praxis ohne Schwierigkeiten realisieren.
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Die Synchronisierung verschiedener Zylinder entsprechend den genannten
Verfahren, ermöglicht lediglich die passive Abstimmung bzw. Kompensation im Sinne
einer Steuerung der verschiedenen Regelkreise. Zeitliche Anderungen im Ubertragungsverhalten
der verschiedenen Regelkreise - insbes. infolge Laständerungen - können durch diese
Steuermaßnahme nicht kompensiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelung der einzelnen
Kreise zueinander zu erreichen, damit die Synchronisierung ohne menschlichen Eingriff
gleichsam automatisch erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zur Regelung der Zylinder
untereinander die Differenz zwischen Istwert des Führungskreises und Istwert des
jeweils anderen Regelkreises als Korrekturgröße für den jeweiligen anderen Regelkreis
rückgeführt und dem Eingang des jeweils anderen Regelkreises zusammen mit dem Sollwert
zugeführt wird. Damit wird eine aktive Synchronisierung des Bewegungsablaufes der
Zylinder untereinander erreicht, d. h. es ist weder eine manuelle Einstellung erforderlich,
noch die Auswahl aneinander angepaB-ter Servoventile. Die Anwendung der Erfindung
ist unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Zylinder.
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Insbesondere zur digitalen Regelung kann der Istwert des Führungskreises
einerseits und der Istwert jedes anderen Kreises jeweils mit einer Übertragungsfunktion
zurückgeführt werden, bevor die Differenzbildung stattfindet.
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Insbes. zur analogen Regelung erfolgt - nach passiver Synchronisierung
der anderen Regekreise mit dem Führungskreis - nach der Differenzbildung die Rückführung
der jeweiligen Istwertdifferenz über einen Block mit rein proportionalem Verhalten
und hohem Verstärkungsfaktor.
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Die Erfindung wird im Gegensatz zum Stand der Technik weiter beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung eines Rütteltisches, angetrieben
durch vier Zylinder,
Fig. 2 das Blockschaltbild des zugehörigen
Antriebes mit nicht synchronisierter Schaltung (Stand der Technik), Fig. 3 das Blockschaltbild
mit passiver Kompensation der Regelkreise (Stand der Technik9, Fig. 4 das Blockschaltbild
der aktiven Synchronisierung der Regelkreise bei insbes. digitaler Regelung, Fig.
5 das Blockschaltbild zur aktiven Synchronisierung der Regelkreise bei insbes. analoger
Regelung, Fig. 6 ein Schaubild zur Darstellung des Regelverhaltens nach der Erfindung
im Vergleich zum Stand der Technik, und Fig. 7 ein Blockschaltbild der Notabschaltung.
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In Fig. 1 sind vier Zylinder 1, 2, 3, 4 dargestellt, die parallel
zueinander an einem Rütteltisch 5 angreifen, der beispielsweise bei dynamischen
Untersuchungen an Rahmfahrtstrukturen, insbes.
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Satelliten, eingesetzt wird.
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Für die Übertragungsfunktion Fi eines beliebigen, in Fig. 2 dargestellten
Zylinder-Regelkreises kann geschrieben werden: G.
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1 1 xi = Fi = G1 (hier i = 1,2,3,4) w 1 + Gi Hi (hier i = 1,2,3,4)
mit
Gi als der Übertragungsfunktion des "Vorwärtszweiges", der einen PID-Regler, ein
Servoventil und einen der Zylinder 1, 2, 3, 4 enthält, und H. als der Übertragungsfunktion
der Rückführung, welches ein Sensor-Verstärker-System beinhaltet.
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Es muß bei diesem Stand der Technik davon ausgegangen werden, daß
auch bei (dynamischer) Ansteuerung der verschiedenen ZylinderregBlkreise durch den
gleichen Sollwert w sich an den verschiedenen Zylindern 1, 2, 3, 4 jeweils unterschiedliche
Auslenkungen (Amplituden) xi einstellen. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen,
daß auch "baugleiche" Zylinder infolge unterschiedlicher Last und nicht vermeidbarer
Fertigungsungenauigkeiten - insbes. im Hinblick auf das Servoventil - ein unterschiedliches
Übertragungsverhalten aufweisen.
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Durch Einführung einer elektronischen Schaltung im Vorwärtszweig des
Regelkreises (vgl. Fig. 3) ist es im Stand der Technik bekannt, eine passive Kompensation
des Ubertragungsverhaltens der verschiedenen Regelkreise zu erreichen. Dabei wird
ein Regelkreis zum Führungs-Regelkreis erklärt, hier gekennzeichnet durch den Index
F. Alle restlichen Regelkreise werden dann, wie in Fig. 3 dargestellt, durch Einfügung
der Übertragungsfunktionen Gik auf den Führungs-Regelkreis manuell abgestimmt. Dabei
muß gelten: GF = G. Gik (i = 2, 3, 4) Es wurde hier vorausgesetzt, daß das Übertragungsverhalten
der Rückführungen der verschiedenen Regelkreise identisch ist (Hi = Ho) was in der
Praxis auch ohne Schwierigkeiten realisiert werden kann.
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Die aktive Synchronisierung der Zylinder-Regelkreise durch Rückführung
der Regelkreis-Istwerte x. ist in Fig. 4 dargestellt. Durch Einführung der Rückführungen
KFi und K mit KFi als Übertragungsfunktion der Rückführung des Istwertes, xF vom
Führungs-Regelkreis zum Sollwert-Eingang des i-ten Folgezylinder-Regelkreises und
k. als Übertragungsfunktion der Rückführung des Istwertes x. vom i-ten Folge-Regelkreis
zum Sollwert-Eingang desselben Regelkreises mit einem Übertragungsverhalten entsprechend
G - G KF - K.
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1 1 wird die aktive Kompensation und Synchronisierung zwischen allen
Zylinder-Regelkreisen realisiert.
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Zusätzlich kann - dem Stand der Technik entsprechend - durch.
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Einführung der ebenfalls in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung
G mit i+G Hg G = k F HO (k = Konstante) GF das Übertragungsverhalten aller Zylinder
in einem gegebenen Frequenzbereich erheblich verbessert werden.
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Die in Fig. 4 dargestellte aktive Synchronisierungsschaltung ist gut
geeignet für den Fall, daß die Synchronisierungsregelung in digitaler Form realisiert
wird. Für den Fall der analogen aktiven Synchronisierung ist jedoch das in Fig.
5 dargestellte Blockschaltbild einfacher zu verwirklichen. Folgende Elemente sind
zusätzlich eingeführt:
Die passive Synchronisierung der verschiedenen
Zylinder mit dem Führungszylinder durch Einführung der Kompensationsnetzwerke Gik,
wobei jeweils gelten muß: Gi . Gik = GF (i = 2, 3, 4) Die Verbesserung des Übertragungsverhaltens
aller Zylinder-Regelkreise in einem gegebenen Frequenzbereich durch Einfügen der
Kompensationsschaltung G, wobei gilt: ~ k k +GF Ho (k = Konstante) GF Die aktive
Synchronisierung zwischen dem Führungszylinder und den Folgezylindern kann durch
Rückführung der jeweiligen Istwertdifferenz über einen Block K, mit einem rein proportionalen
Verhalten und hohem Verstärkungsfaktor erreicht werden. Durch diese Schaltung soll
erreicht werden, daß im gesamten Frequenzbereich gilt: xi/xF -> 1 und ## = ##i-#xF
-> 0° (i = 2,3,4) .
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1 F In Fig. 6 ist für ein Zylinderpaar beispielhaft dargestellt,
welch enorme Verbesserungen in der Synchronisierung der beiden Zylinder durch die
Istwertrückführung erzielt werden können.
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Es muß darauf hingewiesen werden, daß die aktive Synchronisierungsschaltung,
insbes. beim Ausfall von Sensoren, die Stabilität der Regelkreise in negativer Weise
beeinflussen kann. Um die Betriebssicherheit der Anlage zu gewährleisten, ist es
empfehlenswert, wie in Fig. 8 dargestellt, die elektrischen Signale in den verschiedenen
Synchronisierungsrückführungen mit dem Wegsignal des Führungszylinders in einem
Komparator zu vegleichen. Der Alarm-Code der Anlage (z. B.
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Notabschaltung) soll dann ausgelöst werden, wenn der Betrag des Signals
in einer der Synchronisierungsrückführungen den Betrag des mit dem Weg proportionalen
Signals in der Führungszylinder-Regelschleife überschreitet.
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