DE3615663C2

DE3615663C2 -

Info

Publication number: DE3615663C2
Application number: DE19863615663
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Heinle; Hans-Hermann Dipl.-Ing. 8520 Erlangen De Heidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1991-10-02
Also published as: DE3615663A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Istwertglättung in einem System, bestehend aus einem Stellglied, dem eine Steuergröße zugeführt wird, und einer Regelstrecke, wobei ein Istwert am Ausgang der Regelstrecke aus einem Nutzistwert und einem systematischen vom Stellglied verursachten Istwelligkeitswert zusammengesetzt ist.

Es ist bekannt welligkeitsbehaftete Istwerte über Tiefpässe zu glätten. Dabei ergibt sich eine Amplitudenabsenkung und eine unerwünschte Phasendrehung bei hohen Frequenzen, wodurch sich die Stabilität einer Regelung verschlechtert.

Außerdem ist eine weitere Methode zur Istwertglättung bekannt. Dabei wird der Mittelwert über ein ganzzahliges Vielfaches der Welligkeitsperiodendauer gebildet. Auch dieses Verfahren birgt regelungstechnische Stabilitätsnachteile, da eine statische Totzeit mit der Länge des halben Mittelungsintervalles auftritt.

Aus der Zeitschrift DE-Z- "msr", Band 12, 1969, Heft 5, Seiten 182 bis 184, ist ein Regelungsprinzip bekannt, das auf dem Prinzip der Stabilisierung des Regelkreises durch eine modellmäßige Nachbildung der Regelstrecke beruht. Einer gestörten Regelstrecke (im Signalbereich) ist ein störungsfreies Streckenmodell parallel geschaltet, dessen Ausgangsgröße von der Regelgröße substrahiert wird. Bei exakter Übereinstimmung von Strecke und Modell bleibt nach der Subtraktion nur noch die Störantwort der Strecke übrig. Diese wird von der Führungsgröße subtrahiert. Aufgrund der getrennten Vorhersage der Stör- und Führungsgröße kann der Regelkreis gleichzeitig bezüglich des Stör- und des Führungsverhaltens optimiert werden. Durch die modellmäßige Nachbildung der Strecke wird dieser Regelkreis stabilisiert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Istwertglättung anzugeben, wodurch man einen glatten, amplitudenfehlerfreien und phasenfehlerfreien Istwert erhält.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß von einer entsprechend den Parametern des Stellgliedes aus der Steuergröße erzeugten welligkeitsbehafteten Stellgröße die Steuergröße subtrahiert wird, wobei die Differenzgröße als verbleibende Störgröße einem Regelstreckenmodell zugeführt wird, an dessen Ausgang der Istwelligkeitswert ansteht, der vom Istwert subtrahiert wird, wobei sich als Differenz der Nutzistwert ergibt.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer Stellgröße, die einen systematischen vom Stellglied verursachten Welligkeitsanteil enthält und am Ausgang des Stellgliedes ansteht, die dem Stellglied zugeführte Steuergröße subtrahiert. Dadurch erhält man den systematischen vom Stellglied verursachten Welligkeitsanteil, der mittels eines Regelstreckenmodells in einen Istwelligkeitswert umgewandelt wird. Mit Hilfe eines zweiten Differenzgliedes wird dieser Istwelligkeitswert vom Istwert am Ausgang der Regelstrecke subtrahiert. Somit erhält man einen Nutzistwert, d. h. einen glatten, amplitudenfehlerfreien und phasenfehlerfreien Istwert. Dadurch entstehen auch keine regelungstechnischen Stabilitätsnachteile bei der weiteren Verwendung dieses ermittelten Nutzistwertes.

Außerdem wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß von einer mittels eines Stellgliedmodells aus der Steuergröße erzeugten welligkeitsbehafteten Modellstellgröße die Steuergröße subtrahiert wird, wobei die Differenzgröße als verbleibende Störgröße einem Regelstreckenmodell zugeführt wird, an dessen Ausgang der Istwelligkeitswert ansteht, der vom Istwert subtrahiert wird, wobei sich als Differenzwert der Nutzistwert ergibt.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Stellgröße mittels eines Stellgliedmodells aus der Steuergröße erzeugt. Dieses Stellgliedmodell bildet das Verhalten des Stellgliedes nach. Bei einfachen aufgebauten Stellgliedern ist es vorteilhafter, die Stellgröße aus der Steuergröße mittels des Stellgliedmodells zu erzeugen, da die Nachbildung des Verhaltens des Stellgliedes einfacher und preiswerter ist, als die Stellgröße am Ausgang des Stellgliedes zu messen.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die Steuergröße über ein Nichtlinearitätsmodell geführt, dessen Übertragungskennlinie den Zusammenhang zwischen der Steuergröße und der Stellgröße darstellt. Dadurch wird der Zusammenhang der Steuergröße und der Stellgröße, die im allgemeinen nicht linear ist, nachgebildet. Dadurch erhält man am Ausgang des ersten Differenzgliedes nur den systematischen vom Stellglied verursachten Welligkeitsanteil und somit am Ausgang des zweiten Differenzgliedes einen glatten, amplitudenfehlerfreien und phasenfehlerfreien Istwert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Blockschaltbildes der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens und in

Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 1 der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens veranschaulicht,

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 2 der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Pulswechselrichter mit einer Drehstrommaschine, in

Fig. 6 ist eine vereinfachte Schaltungsanordnung der Fig. 5 gezeigt und

Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens in einem sechspulsigen Thyristorgleichrichter mit einer Gleichstrommaschine.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Istwertglättung in einem System dargestellt, wobei das System aus einem Stellglied 2 und einer nachgeschalteten Regelstrecke 4 besteht. Am Eingang des Stellgliedes 2 und an einem ersten Differenzglied 6 steht eine Steuergröße U_A an. Außerdem ist der Ausgang des Stellgliedes 2 mit dem ersten Differenzglied 6 verknüpft. Der Ausgang dieses ersten Differenzgliedes 6 ist über ein Regelstreckenmodell 8 mit einem zweiten Differenzglied 10 verbunden. Das Regelstreckenmodell 8 bildet das Verhalten der Regelstrecke 4 nach. Der Ausgang der Regelstrecke 4 ist ebenfalls mit dem zweiten Differenzglied 10 verbunden.

Die Steuergröße U_A wird dem Stellglied 2 zugeführt, das eine Stellgröße U_A2 erzeugt. Diese Stellgröße U_A2 enthält einen systematischen vom Stellglied 2 verursachten Welligkeitsanteil. Diese welligkeitsbehaftete Stellgröße U_A2 erzeugt mittels der Regelstrecke 4 einen Istwert I_A2. Dieser Istwert I_A2 setzt sich zusammen aus einem Nutzistwert I_AG und einem Istwelligkeitswert I_AX. Der Nutzistwert I_AG ist ein glatter, amplitudenfehlerfreier und phasenfehlerfreier Istwert Der Istwelligkeitswert I_AX ist ein vom Stellglied 2 verursachter Istwert. Von der Stellgröße U_A2 wird am ersten Differenzglied 6 die Steuergröße U_A subtrahiert. Als Differenzgröße ergibt sich eine Störgröße U_AX. Diese Störgröße U_AX ist der vom Stellglied 2 verursachte Welligkeitsanteil. Die Störgröße U_AX wird dem Regelstreckenmodell 8 zugeführt, an dessen Ausgang ein Istwelligkeitswert I_AX ansteht. Dieser Istwelligkeitswert I_AX wird mittels des zweiten Differenzgliedes 10 vom Istwert I_A2 am Ausgang der Regelstrecke 4 subtrahiert. Als Differenzgröße ergibt sich der Nutzistwert I_AG des Istwertes I_A2.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 1 der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Istwertglättung veranschaulicht. Dabei wird die Steuerspannung U_A dem Stellglied 2 und einem Stellgliedmodell 12 zugeführt. Das Stellgliedmodell 12 bildet das Verhalten des Stellgliedes 2 nach. Der Ausgang des Stellgliedmodells 12 ist mit dem ersten Differenzglied 6 verbunden, an dessen zweiten Eingang die Steuergröße U_A ansteht. Das erste Differenzglied 6 subtrahiert von der aus der Steuergröße U_A mittels des Stellgliedmodells 12 erzeugten Stellgröße U_A1 die Steuergröße U_A. Als Differenzwert ergibt sich wieder die Störgröße U_AX, die dem vom Stellglied 2 verursachten Welligkeitswert entspricht. Die Stellgröße U_A1 entspricht der Stellgröße U_A2, die am Ausgang des Stellgliedes 2 ansteht. Die Störgröße U_AX wird dem Regelstreckenmodell 8 zugeführt, das den Istwelligkeitswert I_AX erzeugt. Dieser Istwelligkeitswert I_AX wird mit Hilfe des zweiten Differenzgliedes 10 vom Istwert I_A2, der am Ausgang der Regelstrecke 4 ansteht, subtrahiert. Ebenfalls ergibt sich als Differenzgröße ein glatter, amplitudenfehlerfreier und phasenfehlerfreier Nutzistwert I_AG.

In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 1 der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Dabei wird die Steuerspannung U_A dem Stellglied 2 und einem Nichtlinearitätsmodell 14 zugeführt. Dieses Nichtlinearitätsmodell enthält eine Übertragungskennlinie, die den Zusammenhang zwischen der Steuergröße U_A und der Stellgröße U_A2 darstellt. Dieses Nichtlinearitätsmodell 14 bildet den nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Steuergröße U_A und der Stellgröße U_A2 nach. Die Art und Weise des Zusammenhangs der Steuergröße U_A und der Stellgröße U_A2 wird alleine durch den Aufbau des Stellgliedes 2 bestimmt. Dadurch erhält man am Ausgang des Nichtlinearitätsmodells 14 eine Steuerspannung U_AL, die subtrahiert von der Stellgröße U_A2, mittels des ersten Differenzgliedes 6, die Störgröße U_AX ergibt. Die Störgröße U_AX ist proportional dem Welligkeitsanteil, der vom Stellglied 2 verursacht ist und Teil der Stellgröße U_A2 ist.

In Fig. 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Blockschaltbildes nach Fig. 2 der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens veranschaulicht. Die Steuergröße U_A steht am Eingang des Stellgliedes 2, des Stellgliedmodells 12 und des Nichtlinearitätsmodells 14 an. Das Nichtlinearitätsmodell 14 erzeugt eine Steuerspannung U_AL, die subtrahiert von der erzeugten Stellgröße U_A1, mittels des Stellgliedmodells 12, die Störgröße U_AX ergibt. Diese Störgröße U_AX ist proportional dem Welligkeitsanteil, der vom Stellglied 2 verursacht ist und Teil der Stellgröße U_A2 ist.

Die Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Istwertglättung bei einem Pulswechselrichter 16, der eine Drehstrommaschine 18 speist. Von der Drehstrommaschine 18 sind die im Dreieck geschalteten Ständerwicklungen L_RT, L_TS, und L_SR gezeigt. Die drei um 120° el. versetzten Referenzspannungen U_R, U_S und U_T werden über Komparatoren 20, 22 und 24 mit einem Modulationsdreieck 26 verglichen. Die Ausgangssignale U_R1, U_S1 und U_T1 dieser Komparatoren 20, 22 und 24 bilden die Ansteuersignale für die drei Wechselrichterzweige des Pulswechselrichters 16. Die Motorzuleitungen R, S und T sind an die Mittelpunkte der Wechselrichterzweige angeschlossen.

Zunächst werden die pulsfrequenten Spannungsanteile der drei Phasenspannungen U_RX, U_SX und U_TX berechnet. Dazu werden die Referenzspannungen U_R, U_S und U_T von den Ausgangssignalen U_R1, U_S1 und U_T1 der Komparatoren 20, 22 und 24 jeweils mit Hilfe des ersten Differenzgliedes 6 subtrahiert. Als Differenzwerte ergeben sich jeweils die drei pulsfrequenten Spannungsanteile der Phasenspannungen U_RX, U_SX und U_TX als Störgrößen. Aus diesen drei Phasenspannungen werden die verketteten Spannungen U_RTX und U_STX mit Hilfe von Differenzgliedern 7 berechnet. Ebenso werden die verketteten Spannungen U_SRX und U_TSX mit Hilfe von Differenzgliedern 7 berechnet. Diese verketteten Spannungen U_RTX, U_STX, U_SRX und U_TSX werden jeweils einem Regelstreckenmodell 8 zugeführt, das in der einfachsten Ausführung ein Tiefpaß ist, da die Motorkomponenten als eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem Widerstand nachgebildet werden können. Am Ausgang der Regelstreckenmodelle 8 erhält man mittels weiterer Differenzglieder 9 die pulsfrequenten Strangstromanteile I_RX und I_SX, d. h. die vom Pulswechselrichter 16 verursachten Istwelligkeitswerte I_AX. Diese Strangstromanteile I_RX bzw. I_SX werden mit Hilfe des zweiten Differenzgliedes 10 vom Iststrangstromwert I_R2 bzw. I_S2 subtrahiert, so daß als Differenz der glatte, amplitudenfehlerfreie und phasenfehlerfreie Iststrangstromwert I_RG bzw. I_SG sich ergibt.

Die Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung der Fig. 5, wobei die Differenzglieder 7 und 9 je Strang der Fig. 5 zu einem Differenzglied 11 zusammengefaßt sind, dessen Ausgang mit dem Regelstreckenmodell 8 verbunden ist. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde auf die Darstellung des Pulswechselrichters 16, der Komparatoren 20, 22 und 24 und der Drehstrommaschine 18 verzichtet.

In Fig. 7 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Istwertglättung bei einem sechspulsigen Thyristorgleichrichter 26 dargestellt, der eine Gleichstrommaschine 28 speist. Der sechspulsige Thyristorgleichrichter 26 wird von einem Steuersatz 30 angesteuert. Das Stellgliedmodell 12 bildet funktionell den Steuersatz 30 und den sechspulsigen Thyristorgleichrichter 26 nach. Aus der Steuergröße U_A, die dem Stellgliedmodell 12 zugeführt wird, erzeugt dieses Stellgliedmodell 12 die Stellgröße U_A1. Da der Zusammenhang zwischen der Steuergröße U_A und der Ankerspannung U_A2, die gleich ist der Stellgröße U_A2, nicht linear ist, wird diese Nichtlinearität mit dem Nichtlinearitätsmodell 14 nachgebildet. Dazu ist dessen Übertragungskennlinie eine Sinuskennlinie. Am Ausgang dieses Nichtlinearitätsmodells 14 erhält man die Steuergröße U_AL, die mittels des ersten Differenzgliedes 6 von der ermittelten Stellgröße U_A1 subtrahiert wird. Als Differenz erhält man eine Störgröße U_AX, die dem Regelstreckenmodell 8 zugeführt wird. Die Störgröße U_AX ist der vom Steuersatz 30 und dem sechspulsigen Thyristorgleichrichter 26 verursachte Welligkeitsanteil der Ankerspannung U_A2. Das Regelstreckenmodell 8 bildet die Motorkomponenten nach. Bei einer Gleichstrommaschine ist das eine Serienschaltung aus der Ankerstreuinduktivität und dem Ankerwiderstand, die zusammen ein Tiefpaß bilden. Am Ausgang erhält man dann einen Istwelligkeitswert I_AX, der vom Istwert I_A2 mittels des zweiten Differenzgliedes 10 subtrahiert wird. Als Differenz erhält man den glatten Istwert I_AG.

Claims

1. Verfahren zur Istwertglättung in einem System, bestehend aus einem Stellglied (2), dem eine Steuergröße (U_A) zugeführt wird, und einer Regelstrecke (4), wobei ein Istwert (I_A2) am Ausgang der Regelstrecke (4) aus einem Nutzistwert (I_AG) und einem systematisch vom Stellglied (2) verursachten Istwelligkeitswert (I_AX) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß von einer entsprechend den Parametern des Stellgliedes (2) aus der Steuergröße (U_A) erzeugten welligkeitsbehafteten Stellgröße (U_A2) die Steuergröße (U_A, U_AL) subtrahiert wird, wobei die Differenzgröße als verbleibende Störgröße (U_AX) einem Regelstreckenmodell (8) zugeführt wird, an dessen Ausgang der Istwelligkeitswert (I_AX) ansteht, der vom Istwert (I_A2) subtrahiert wird, wobei sich als Differenzwert der Nutzistwert (I_AG) ergibt.

2. Verfahren zur Istwertglättung in einem System, bestehend aus einem Stellglied (2), dem eine Steuergröße (U_A) zugeführt wird, und einer Regelstrecke (4), wobei ein Istwert (I_A2) am Ausgang der Regelstrecke (4) aus einem Nutzistwert (I_AG) und einem systematisch vom Stellglied (2) verursachten Istwelligkeitswert (I_AX) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß von einer mittels eines Stellgliedsmodells (12) aus der Steuergröße (U_A) erzeugten welligkeitsbehafteten Modellstellgröße (U_A1) die Steuergröße (U_A) subtrahiert wird, wobei die Differenzgröße als verbleibende Störgröße (U_AX) einem Regelstreckenmodell (8) zugeführt wird, an dessen Ausgang der Istwelligkeitswert (I_AX) ansteht, der vom Istwert (I_A2) subtrahiert wird, wobei sich als Differenzwert der Nutzistwert (I_AG) ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (U_A) mittels eines Nichtlinearitätsmodell (14) in eine Steuergröße (U_AL) gewandelt wird, dessen Übertragungskennlinie den Zusammenhang der Steuergröße (U_A) und der Stellgröße (U_A2) darstellt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (U_A) am Eingang des Stellgliedes (2) und an einem ersten Differenzglied (6) ansteht, daß ein Ausgang des Stellgliedes (2) mit der Regelstrecke (4) und mit dem ersten Differenzglied (6) verknüpft ist, daß ein Ausgang des ersten Differenzgliedes (6) über das Regelstreckenmodell (8) mit einem zweiten Differenzglied (10) verbunden ist und daß ein Ausgang der Regelstrecke (8) mit dem zweiten Differenzglied (10) verknüpft ist.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (U_A) am Eingang des Stellgliedes (2), an einem ersten Differenzglied (6), und an einem Eingang eines Stellgliedmodells (12) ansteht, wobei ein Ausgang dieses Stellgliedmodells (12) mit dem ersten Differenzglied (6) verknüpft ist, daß ein Ausgang des Stellgliedes (2) mit der Regelstrecke (4) verknüpft ist, daß ein Ausgang des ersten Differenzgliedes (6) über das Regelstreckenmodell (8) mit einem zweiten Differenzglied (10) verbunden ist und daß der Ausgang der Regelstrecke (4) mit dem zweiten Differenzglied (10) verknüpft ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (U_A) über ein Nichtlinearitätsmodell (14) am ersten Differenzglied (6) ansteht, wobei der Ausgang des Stellgliedes (2) mit dem ersten Differenzglied (6) verknüpft ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (U_A) am Eingang des Stellgliedmodells (12) und über das Nichtlinearitätsmodell (14) am ersten Differenzglied (6) ansteht.