DE3503875C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (D. Smith "Feedback Control Systems", McGraw-Hill, New York, 1958, S. 331-345).

Bei Schwingungssystemen mit schwacher Dämpfung, beispielsweise bei Systemen mit konzentrierten Parametern, wie es eine Antriebsregelstrecke darstellt oder bei Systemen mit verteilten Parametern wie bei Kontinuumschwingungen oder Einschwingvorgängen elektrischer Leitungen, aber auch bei bestimmten linearen Systemen ist es wichtig, den Einschwingvorgang auf die kürzest mögliche Zeitdauer zu begrenzen. Ein System zur Kompensation von Dauerschwingungen, das nach dem sogenannten POSICAST-Prinzip arbeitet, ist bereits bekannt. In diesem System werden die Sollwerte einem PI-Regler zugeführt, der sie über eine Regelstrecke mit unterlagerter Stromregelung an einen Ausgang gibt. Die Istwerte werden auf den Eingang zurückgeführt und mit den Sollwerten verknüpft (O. Smith "Feedback Control Systems", McGraw-Hill, New York, 1958, S. 331-345). Das bekannte Regelsystem verwendet nur Kompensatoren mit analogen Bauelementen. Da jeweils eine gewisse Zeit vergeht, bis der Sollwert über den PI-Regler und die Regelstrecke zum Ausgang gelangt, der Istwert gemessen und an den Eingang zurückgegeben, dort korrigiert und wieder über die Regelstrecke geleitet ist, dauert die Kompensation unerwünscht lange und kann unter Umständen unmöglich werden.

Die Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zur Kompensation von Schwingungen in Schwingungssystemen mit schwacher Dämpfung anzugeben, nach dem die Kompensation der Schwingungen durch einfach zu realisierende digitale Schaltungen in kürzest möglicher Zeit erreicht werden kann, ohne daß bereits bestehende Kompensationseinrichtungen verändert werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkale im Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Sie ist jedoch nicht nur auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann sowohl bei linearen als auch bei nichtlinearen Schwingungssystemen angewendet werden, z. B. bei Systemen mit konzentrierten Parametern, bei Systemen mit verteilten Parametern, sofern diese durch partielle Differentialgleichungen vom hyperbolischen Typ beschrieben werden, bei nichtlinearen Systemen, die sich durch die Gleichung der harmonischen Balance beschreiben lassen.

In der Zeichnung ist ein Regelsystem dargestellt, das zur Realisation eines Verfahrens nach der Erfindung benutzt werden kann. Von einem Sollwertgeber a wird der Sollwert durch übergeordnete Regelkreise oder Stellglieder in digitaler oder analoger Form vorgegeben. Dies kann jedoch auch über eine eingebaute Tastatur b erfolgen. Von einem Taktgeber c werden die Elemente der Regelung gesteuert und die Abtastzeitpunkte generiert. Ein Rechner d berechnet die für die Regelung notwendigen Zwischengrößen und Stellgrößen, sorgt in der Maßdatenerfassung für die Ermittlung der Zeitkonstante (T/4), der Grundschwingung von schwach gedämpft schwingenden Regelstrecken. Für die analoge Meßwerterfassung sind A/D-Wandler e vorgesehen. Ein Kompensator f, der seine Daten aus der Meßwertanalyse des Istwertes bezieht, teilt die Stellgrößen in zwei oder mehrere Teilschritte. Diese werden über einen A/D-Wandler g an die Regelstrecke h weitergeleitet, die eventuell einen unterlegten Stromregelkreis besitzt. Von einem Speicheroxziloskop i werden die Stellgrößensprünge und die Sprungantworten der Strecke aufgezeichnet und anschließend auf einem Y-T-Schreiber ausgegeben.

Will man zum Beispiel mit diesem Regelsystem die Torsionsschwingungen eines Antriebs, der aus einer Antriebsmaschine, einer Welle und einer Last mit Tachomaschine besteht, kompensieren, so wird bei der Inbetriebnahme ein Hochlaufversuch durchgeführt. Mit der daraus gewonnenen Zeitkonstante wird das Ausgangssignal in zwei oder mehrere Teilsignale zerlegt. Das erste Teilsignal wird unverzögert auf den Ausgang durchgeschaltet, während das zweite und eventuell weitere Teilsignale zeitverzögert in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz mit den Taktschritten aufgeschaltet werden. Dabei hängt die Genauigkeit der Zeitverzögerung von der verwendeten Taktfrequenz ab. Zur Ermittlung der Torsionszeitkonstanten legt der Rechner einen, in seiner Größe mit den Regelparametern und der Abtastzeit für die torsionsfreie Strecke, eingegebenen Stellgrößensprung für die Dauer einer Abtastperiode an die Strecke an. Dabei sind der Sollwertgeber a, die Tastatur b und der Kompensator f nicht in Betrieb. Die von der Strecke gelieferten Istwerte tastet der A/D-Wandler e mit maximal möglicher Abtastfrequenz ab und speichert die Maximalwerte mit der Wiederholzahl des Abtastzeitpunktes ein. Störimpulse filtert ein digitales Tiefpaßfilter erster Ordnung weg. Aus der Sprungantwort des Systems ermittelt der Rechner d eine bestimmte Zeit. Den mit dieser Zeit geladenen Kompensator f schaltet der Rechner anschließend in den Datenpfad. Bei der herkömmlichen Regelung ist die anfängliche Schwingungsamplitude sehr groß und klingt nur langsam allmählich ab, das es eine Weile dauert, bis sich die Torsion von der Antriebsmaschine über die Welle bis zur Last fortgepflanzt hat. Erst dann kann von der Tachomaschine ein Meßsignal erwartet werden. Dieses wächst zuerst proportional zum Ansteigen der Torsion. Die elastische Welle wird jedoch versuchen, die Torsion rückgängig zu machen, woraus sich wieder ein Signal mit großer Amplitude ergibt. Die Schwingungen klingen daher nur langsam ab.

Bei der Regelung nach der Erfindung dagegen ist die Amplitude der anfänglichen Schwingung wesentlich kleiner, so daß sie durch gezielte Aufschaltung der weiteren Teilsignale bedeutend schneller zum Verschwinden gebracht werden kann.

Als Kompensator f kann ein universelles Digitalregelgerät verwendet werden, mit dem theoretische Herleitungen der digitalen Regelungstechnik direkt in physikalische Ergebnisse umgesetzt werden können und nicht, wie bislang üblich, das mathematische Modell der zu regelnden Strecke nebst hergeleitetem Regelalgorithmus an einem Großrechner simuliert werden muß.

Das universelle Digitalregelgerät ist mit unfangreichen Ein- Ausgangsschnittstellen versehen und ermöglicht komplexe Verknüpfungen zwischen Regelstrecke und Regler. Es besitzt vorzugsweise vier unabhängige, frei programmierbare Einzelregler mit Übertragungsfunktion bis zur Ordnung 5 (je Regler), jedoch einen gemeinsamen Abtastzeitpunkt. Die Programmierung kann einfach anhand von zwei Codetabellen über eine eingebaute Tastatur vorgenommen werden (16 Tasten incl. Steuertasten). Dazu sind keine Softwarekenntnisse erforderlich. Die Tastatur hat 10 Zifferntasten, eine Vorzeichenwechseltaste und fünf Steuertasten. Die acht analogen Eingänge, vier analogen Ausgängen, vier digitalen Eingänge, vier analogen Ausgänge, vier digitalen Eingänge und vier digitalen Ausgänge ermöglichen vielfältige Regelungsaufgaben. Ein interner Taktgeber ermöglicht Abtastzeiten von 5 ms bis 10 s (die in Schritten von 2,5 ms vorwählbar sind). Es ist jedoch auch eine Umschaltmöglichkeit auf externe Zeitgeber mit den kleinsten Abtastzeiten von 1,3 ms (bei Einreglerbetrieb) oder 7,5 ms (bei Vierreglerbetrieb) vorgesehen. Als Sollwertgeber für jeden Regler kann einer der acht analogen Eingänge oder einer der vier digitalen Eingänge oder einer der vier Reglerausgänge selbst (Kaskadenregelung) oder die Tastatur Verwendung finden. Als Istwert kommen entweder die acht analogen Eingänge oder die vier digitalen Eingänge in Frage. Alle vier Regler können zu einem Regler der maximalen Ordnung 20 zusammengeschaltet werden. Der Kompensator kann in das universelle Digitalregelgerät integriert, oder als portables Gerät an die digitalen Ein-/Ausgänge angeschlossen werden. Jedoch auch andere Rechner können über entsprechende Parallel-Schnittstellen den Kompensator betreiben. Nach Übergabe der Schwingungszeitkonstanten durch den Rechner (Regler) nimmt der Kompensator seine Funktion auf.

Der Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß man ein Regelsystem so entwerfen kann, als ob das schwach gedämpfte Teilsystem nicht existierte. Die störenden Schwingungen werden in der kürzest möglichen Zeit beseitigt oder treten erst gar nicht auf; alle anderen Reglerparameter brauchen nicht geändert zu werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Kompensation von Schwingungen in Schwingungssystemen mit schwacher Dämpfung durch einen Regelkreis mit einem Sollwertgeber, einem Taktgeber, einem Regler und einer Regelstrecke, wobei zwischen dem Regler und der Regelstrecke ein Kompensator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator aus einer digitalen Schaltungsanordnung besteht, in der das Ausgangssignal des Reglers in zwei oder mehrere Teilsignale zerlegt wird und das erste Teilsignal unverzögert durchgeschaltet wird, während das zweite und eventuell weitere Teilsignale zeitverzögert in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz mit den Taktschritten durchgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameter unverändert bleiben.