DE3839878C2

DE3839878C2 -

Info

Publication number: DE3839878C2
Application number: DE3839878A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Amagasaki Hyogo Jp Ogawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1991-08-08
Also published as: DE3839878A1; JPH01137305A; US5032777A; US4958114A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rückführungsregler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (US-PS 46 80 518) und insbe sondere einen solchen, der eine Verzögerungs- bzw. Laufzeit kennlinie und einen mechanischen Resonanzverlauf einer Regelstrecke oder einer Detektoreinrichtung kompensiert und dadurch eine Regelgröße stabil geregelt werden kann.

In der US 45 02 109 wird ebenfalls eine sehr ähnliche Regelkreisstruktur beschrieben, bei der das Ausgangssignal eines Positionssensors einer digitalen Beobachterschaltung zugeführt wird, die aus dem Ausgangssignal des Positionssensors die Beschleunigung und die Geschwindigkeit z. B. eines Roboterarms abschätzt. Das Ausgangssignal des Positionssensors wird auch direkt zur Vergleichsstelle zusammen mit dem geschätzten Beschleunigungswert und dem Geschwindigkeitswert zurückgeführt.

Aus der US 46 80 518 ist ein Geschwindigkeitsregelsystem für einen Servomotor bekannt, bei dem ein Rotationsencoder als Meßeinrichtung für die Istgeschwindigkeit des Servomotors verwendet wird, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Strom für den Servomotor einer Schätzeinheit zugeführt wird, die aus den beiden Eingangsgrößen eine Schätzgröße für die Istgeschwindigkeit zur Regelung der Motorgeschwindigkeit abgibt.

Zum besseren Verständnis des Ausgangspunkts der Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines allgemeinen Rückführungsregelungssystems, wie es beispielsweise auf Seite 2 des Buches von Masami ITO "University Lecture, Automatic Control" im Maruzen Co. Ltd. Verlag beschrieben ist. In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Bezugseingangselement gekennzeichnet, dem eine erstrebte Regelgröße als Eingangssignal zugeführt wird und dessen Ausgangssignal eine Führungsgröße r ist, die einem Vergleicher 2 zugeführt wird. Der Vergleicher 2 vergleicht das Führungssignal r mit einem Haupt-Rückkopplungs- bzw. Rückführungssignal y*, wie es später beschrieben wird und gibt eine Regelabweichung e ab. Die Regelabweichung e des Vergleichers 2 wird einem Stellglied 3 zugeführt, das die darauf basierende Betriebsgröße bestimmt. Das Ausgangssignal des Stellglieds 3 wird einem Betriebsglied 4 zugeführt, das es in eine Betriebsgröße u höherer Leistung umwandelt. Ein Regelglied 5 mit einer Übertragungskennlinie Gc 1 (s) wird gebildet von dem Stellglied 3 und dem Betriebsglied 4. Die Betriebsgröße u des Regelglieds 5 wird einer Regelstrecke 6 zugeführt, die eine Übertragungskennlinie Gp (s) · Gpn (s) aufweist und die die Regelgröße y als Ausgangssignal hat. Die Regelgröße y wird einer Detektor- oder Meßeinrichtung 7 mit einer Übertragungskennlinie Ks Gsn (s) zugeführt, die die Regelgröße y in ein elektrisches Signal umwandelt und das Haupt-Rückführungssignal y* abgibt. Bei der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung 7 sind die Kennlinien Gpn (s) und Gsn (s) Abweichungen von den gewünschten Kennlinien der Regelstrecke 6 bzw. der Detektoreinrichtung 7, die die mechanische Resonanzkennlinie und die Vergrößerungskennlinie darstellen.

Das herkömmliche Rückführungsregelsystem wird wie oben beschrieben gebildet. Bei der Durchführung der Rückführungsregelung wird, um die Regelgröße y mit dem gewünschten Wert in Übereinstimmung zu bringen, die Regelgröße y von der Detektoreinrichtung 7 gemessen und zum Vergleicher 2 rückgeführt. Vom Vergleicher 2 wird eine Differenz gegenüber der Führungsgröße r, die vom Bezugseingangselement 1 abgegeben wird, berechnet, und dieser berechnete Wert ist die Regelabweichung e. Vom Regelglied 5 wird die Betriebsgröße u zur Regelstrecke 6 so abgegeben, daß die vom Komparator 2 abgegebene Regelabweichung e annähernd auf 0 gebracht wird. Dies bedeutet, daß das Regelglied 5 als Stabilisierungskompensator zur Stabilisierung des Regelkreissystems arbeitet. Im Regelkreissystem bestimmt sich die Übertragungskennlinie (Kennlinie des offenen Regelkreises) von der Regelabweichung e bis zum Haupt-Rückkopplungssignal y* wie folgt:

Go 1 (s) = Gc 1 (s) · Gp (s) Gpn (s) · Ks Gsn (s) (1)

Das obenbeschriebene herkömmliche Regelkreissystem weist die nachfolgenden Probleme auf:

(1) Normalerweise haben die Regelstrecke 6 und die Detektoreinrichtung 7 immer Abweichungen von den gewünschten Kennlinien Gpn (s) bzw. Gsn (s) im Hochfrequenzband, und es ist aus Gleichung (1) offensichtlich, daß diese Kennlinien Gpn (s) und Gsn (s) in der offenen Regelkreis-Kennlinie nicht intakt bleiben bzw. instabil auftreten und daher die Stabilität des Regelkreissystems beeinträchtigt wird. Im allgemeinen wird das Regelglied Gc 1 (s) so gewählt, daß die Verstärkung der offenen Regelkreis-Kennlinie Go 1 (s) 0dB ist in einem relativ gesehen Niederfrequenzband, in dem das System durch Gpn (s) und Gsn (s) nicht beeinträchtigt wird. Damit kann das Frequenzband des Regelkreissystems nicht erweitert werden. Außerdem ist das System gegenüber Störungen von außen empfindlich, und die Regelabweichung e kann leicht groß werden.
(2) Wenn die Detektorstörung in die Detektoreinrichtung 7 vermischt wird, werden insbesondere die Frequenzkomponenten, die unterhalb des Frequenzbands liegen, in dem die Detektoreinrichtung 7 arbeitet, überhaupt nicht eliminiert und unverändert zum Vergleicher 2 zurückgeführt, so daß der Betrieb des Regelsystems leicht durch diese Störgröße gestört werden kann.

Der Rückführungsregler gemäß vorliegender Erfindung hat die Aufgabe, dafür zur sorgen, daß auch bei hohen Frequenzen eine stabile Regelung der Regelstrecke gegeben ist und auch Störungen, die durch die Detektoreinrichtung, d. h. die Meßeinrichtung, bei nied rigen Frequenzen erzeugt werden, kompensiert bzw. elemi niert werden.

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

Demnach hat der Rückführungsregler eine Zustandsbeobachtungseinrichtung, der als Eingangs signale eine Zustandsgröße oder eine Regelgröße, die von einer Detektoreinrichtung abgegeben werden, und eine Be triebsgröße zugeführt werden. Dabei nimmt der Rückführungs regler eine wahrscheinliche Regelgröße an, die dem richti gen Wert näher liegt und kompensiert unerwünschte Übertra gungskennlinien wie die mechanische Resonanzkennlinie und die Verzögerungskennlinie im Hochfrequenzband der Regel strecke oder der Detektoreinrichtung durch Rückführung dieser angenommenen Regelröße.

Es kann auch eine Zustandsbeobachtungseinrichtung vorgesehen sein, bei der die Zustandsgröße oder die Regelgröße, die von der Detektoreinrichtung abgegeben werden, und die Betriebsgröße Eingangssignale sind. Dabei eliminiert der Rückführungsregler die in die Detektoreinrichtung eingemischte Störung dadurch, daß das Frequenzband niedriger eingestellt wird als die Frequenz der in die Detektoreinrichtung eingemischten Störung.

Bevorzugt wird ein Hochleistungs-Hochband-Rückführungsregler durch Kompensation der Abweichungen und Eliminierung der Störung eingesetzt.

Bevorzugterweise wird ein Rückführungsregler geschaffen, der über die ganze Zeit hinweg einen stabilen Betriebsverlauf aufweist, ohne daß das Rückführungsregelungssystem durch ein falsches Rückführungssignal zu Beginn des Betriebs gestört wird, indem das Eingangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung auf den Zustand Null gesetzt wird, wenn das Rückführungsregelungssystem nicht in Betrieb ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen allgemeinen Rückführungsregelungssystems;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückführungsreglers;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Positionsregelungssystems, das als besondere Ausführungsform des Rückführungsreglers nach Fig. 2 die Position eines Linearmotors regelt;

Fig. 4 ein spezielles Schaltungsdiagramm, das einen Teil der in Fig. 3 dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung zeigt;

Fig. 5 ein Kurvenschaubild einer Übertragungskennlinie mit offenem Regelkreis des Positionsregelungssystems für einen Linearmotor zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Positionsregelungssystems für den Linearmotor durch äquivalente Transformation von Fig. 3;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positions-Rückführungsregelungssystems für einen Linearmotor; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehpositionsregelungssystems für einen Gleichstrommotor.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückführungsreglers. In Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Bezugseingangselement gekennzeichnet, dem eine gewünschte Regelgröße als Eingangssignal zugeführt wird und das als Ausgangssignal eine Führungsgröße r liefert. Die Führungsgröße r wird einem Vergleicher 2 zugeführt, der diese mit einem angenommenen Positionssignal , was später beschrieben wird, vergleicht und eine Regelabweichung e abgibt. Die vom Vergleicher 2 abgegebene Regelabweichung e wird einem Stellglied 3 zugeführt, das eine darauf basierende Betriebsgröße bestimmt. Das Ausgangssignal des Stellglieds 3 wird einem Betriebsglied 4 zugeführt, das es in eine Betriebsgröße u höherer Leistungen umwandelt. Ein Regelglied 5 mit einer Übertragungskennlinie Gc 2 (s) wird abgebildet von dem Stellglied 3 und dem Betriebsglied 4. Die Betriebsgröße u des Regelglieds 5 hat die Übertragungskennlinie Gp (s) Gpn (s). Die Betriebsgröße u wird einer Regelstrecke 6, die die Regelgröße y abgibt, und einer Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt, die von der Regelgröße ein wahrscheinliches Positionssignal annimmt, das näher am richtigen Wert liegt. Die Regelgröße y, die von der Regelstrecke 6 abgegeben wird, wird einer Detektoreinrichtung 7 mit einer Übertragungskennlinie Ks Gsn (s) zugeführt, die die Regelgröße y in ein elektrisches Signal umwandelt und ein gemessenes Positionssignal y* ausgibt. Das gemessene Positionssignal y* der Detektoreinrichtung 7 wird der o.g. Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Positionsregelungssystems, das die Position eines Linearmotors regelt und das als besonderes Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform angesehen werden kann. In Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Signalgenerator für die gewünschte Position gekennzeichnet, dem als Eingangssignal eine gewünschte Position zugeführt wird und der ein gewünschtes Positionssignal r als Ausgangssignal abgibt. Das vom Signalgenerator 1 abgegebene Positionssignal r wird dem Vergleicher 2 zugeführt, der es mit einem angenommenen Positionssignal y, was später beschrieben wird, vergleicht und die Regelabweichung e abgibt. Die von dem Vergleicher 2 abgegebene Regelabweichung e wird einem Vorkompensator 5 zugeführt, der einen Treiberstrom u für einen Linearmotor als Betriebsgröße abgibt. Der vom Vorkompensator 5 abgegebene Treiberstrom u wird einem Block 6 zugeführt, der die Übertragungskennlinie des Linearmotors darstellt, der das zu regelnde Objekt ist. Dieser Block 6 weist einen ersten Block mit einer Kraftkonstante Kf des Linearmotors auf, dem der Treiberstrom u zugeführt wird und der eine Treiberleistung abgibt und außerdem einen zweiten Block mit dem Reziprokwert der Masse M des beweglichen Teils des Linearmotors und eine Doppelintegralkennlinie aufweist. Dem zweiten Block wird die vorgenannte Treiberkraft zugeführt, und er gibt die Position y aus. Die ausgegebene Position y wird dem Positionsdetektor 7 zugeführt, der die Position mit einer Empfindlichkeit Ks feststellt und ein festgestelltes Positionssignal y* abgibt. Dann wird das ausgegebene festgestellte Positionssignal y* der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt, die das angenommene Positionssignal ausgibt.

Die Zustandsbeobachtungseinrichtung wird gebildet von einem Verstärkungselement 111, das einen Wert hat, der durch Multiplizierung der Kraftkonstante Kf des Linearmotors mit dem Reziprokwert der Masse des beweglichen Teils im Linearmotor erhalten wird, und dem der Treiberstrom u vom Vorkompensator 5 zugeführt wird, einem Addierer 117, dem das Ausgangssignal des Verstärkungselements 111 und das Ausgangssignal eines Rückkopplungsverstärkungselements 115, das später beschrieben wird, zugeführt wird und der diese Signale addiert, einem Integrator 112, dem das Additionsergebnis vom Addierer 117 zugeführt wird, einem Addierer 118, dem das Ausgangssignal des Integrierers 112 und das Ausgangssignal eines Rückkopplungsverstärkungselements 116 wie nachfolgend beschrieben, zugeführt wird und der diese Signale miteinander addiert, einem Integrator 113, dem das Additionsergebnis vom Addierer 118 zugeführt wird, einem Verstärkungselement 114, das die Empfindlichkeit Ks des Positionsdetektors 7 simuliert und dem das Ausgangssignal des Integrators 113 zugeführt werden und das das angenommene Positionssignal abgibt, einem Subtrahierer 119, dem das festgestellte Positionssignal y* des Positionsdetektors 7 und das angenommene Positionssignal zugeführt wird und der diese Signale voneinander subtrahiert, und Rückkopplungsverstärkungselementen 115 und 116, denen das Subtraktionsergebnis zugeführt wird und die das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 bestimmen.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines speziellen Schaltungsdiagramms eines Teils der in Fig. 3 dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung. In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 31 ein Operationsverstärker gekennzeichnet, der äquivalent ist zu dem Verstärkungselement 111, dem Addierer 117, dem Integrator 112 und dem Rückkopplungsverstärkungselement 115. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 31 wird einem Operationsverstärker 32 zugeführt, der äquivalent ist zum Addierer 118, Integrator 113, Verstärkungselement 114 und zum Rückkopplungsverstärkungselement 116. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 wird als angenommenes Positionssignal dem Komparator 2 als Ausgangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt und außerdem einem Operationsverstärker 33, der äquivalent ist zum Subtrahierer 119. Das festgestellte Positionssignal y* wird dem Operationsverstärker 33 zugeführt und das Ergebnis der Subtraktion dieser beiden Eingangssignale wird dem Operationsverstärker 31 und einem Operationsverstärker 34 zugeführt, der die Polarität des Subtraktionsergebnisses invertiert. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 34 wird dem Operationsverstärker 32 zugeführt. Die Rücksetzbefehle einer Rücksetzbefehlsschaltung 35, die die entsprechenden Operationsverstärker 31 und 32 durch Schalter 36 bzw. 37 rücksetzen, werden separat über die Schalter 36 und 37 den Operationsverstärkern 31 bzw. 32 zugeführt.

Fig. 5 zeigt ein Kurvenschaubild der Übertragungskennlinien mit offenem Regelkreis eines Positionsregelungssystems für einen Linearmotor zur Erläuterung der Wirkungsweise der Zustandsbeobachtungseinrichtung nach Fig. 3. Die durchgezogenen Linien 41 und 42 kennzeichnen jeweils eine Verstärkungskennlinie bzw. eine Phasenkennlinie der Übertragungskennlinie von der Regelabweichung e zum angenommenen Positionssignal , und die gestrichelten Linien 43 und 44 kennzeichnen entsprechend eine Verstärkungskennlinie bzw. eine Phasenkennlinie der Übertragungskennlinie von der Regelabweichung e zum festgestellten Positionssignal .

Bei dem wie oben beschrieben gebildeten Rückführungsregler stimmt, wenn in Fig. 2 die Übertragungskennlinie des Regelglieds 5 Gc 2 (s) und das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 ω_OB ist, das angenommene Positionssignal der Regelgröße mit dem festgestellten Positionssignal y* im Falle von s = jω und bei den Frequenzen ω « ω_OB über ein, so daß damit der Rückführungsregler den gleichen Betrieb durchführt wie der herkömmliche Rückführungsregler. Andererseits nimmt bei einer Frequenz ω » ω_OB das angenommene Positionssignal der Regelgröße den Wert an, der durch Zuführung der Betriebsgröße u zu einer elektrischen Schaltung erhalten wird, die die gewünschte Übertragungskennlinie Gp (s) der Regelstrecke 6 in der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 simuliert und der unabhängig von dem festgestellten Positionssignal y* bestimmt wird. Dadurch daß das Frequenzband ω_OB niedriger gewählt wird als die Frequenzen, bei denen die Abweichungen von den gewünschten Übertragungskennlinien der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung 7, gekennzeichnet durch die Kennlinien Gpn (s) bzw. Gsn (s), merkbar auftreten, wird der Regler kaum durch Gpn (s) und Gsn (s) beeinträchtigt. Außerdem werden aus der Detektorstörung, die in das festgestellte Positionssignal y* eingemischt ist, die Frequenzkomponenten ω « ω_OB eliminiert.

Im nachfolgenden wird die Betriebsweise des Positionsreglers eines Linearmotors in der besonderen Ausführungsform nach Fig. 3 näher beschrieben.

Wenn dem Linearmotor 6 ein der Betriebsgröße entsprechender Treiberstrom u zugeführt wird, so wird im Block 61 eine Treiberkraft erzeugt, die dem Wert multipliziert mit der Kraftkonstanten K_F äquivalent ist. Die Treiberkraft wird in Block 62 in eine Beschleunigung umgewandelt und dann doppelt integriert. Es wirkt dann auf sie eine mechanische Resonanzkennlinie Gpn (s) ein, und danach wird die Position y bestimmt. Die Position y wird als festgestelltes Positionssignal y* vom Positionsdetektor 7 mit der Empfindlichkeit Ks festgestellt.

Andererseits wird die Betriebsgröße auch der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt, so daß sich über die Verstärkerelemente, die die gewünschte Übertragungskennlinien der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung 7 simulieren, und die Integratoren 111 bis 114 das angenommene wahrscheinliche Positionssignal ergibt.

Das angenommene Positionssignal wird mit dem festgestellten Positionssignal y* verglichen, das als anderes Eingangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt wird. Der Annahmefehler wird den Eingangssignalen der Integratoren 112 bzw. 113 über die Rückkopplungsverstärkungselemente 115 bzw. 116 hinzuaddiert, und der Betrieb wird so durchgeführt, daß das angenommene Positionssignal mit dem festgestellten Positionssignal y* konvergiert. Die Rückkopplungsverstärkungselemente 115 und 116 bestimmen die Geschwindigkeit der Konvergenz dieser Zustandsbeobachtungseinrichtung 101.

Dann werden eine Übertragungskennlinie Go 2 (s) bei offenem Regelkreis von der Regelabweichung e zum festgestellten Positionssignal y* und eine Übertragungskennlinie Go 3 (s) bei offenem Regelkreis von der Regelabweichung e zum angenommenen Positionssignal wie folgt berechnet:

Go 2 (s) = (Gc 2 (s) · K_FKs/MS²) · Gpn (s) · Gsn (s) (2)

Go 3 (s) = (Gc 2 (s) · K_FKs/MS²) · (S² + (L 1 · S + L 2) Gpn (s) · Gsn (s))/(S² + (L 1 · S + L 2) -(3)

Hierbei ist der Eigenwert von

S² + L 1 · S + L 2 = 0 (4)

das heißt der Pol der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 ist beispielsweise in einem Butterworth-Format wie folgt in der komplexen Ebene angeordnet:

L 1 = ω_OB², L 2 = 2 ζω_OB (5)

wobei ζ = 0,707 ist.

Wenn in Gleichung (3) die Frequenz, bei der die mechanische Resonanzkennlinie Gpn (s) einen Scheitel hat, ωm ist, wobei ω_OB « ωm ist, so kann die Scheitelverstärkung durch die folgende Gleichung angenähert werden, indem der Absolutwert mit Einsetzen von S = jωm in Gleichung (3) berechnet wird, und dadurch ergibt sich, daß der mechanische Resonanzscheitel bei 1,414ω_OB/ωm unterdrückt wird.

(1,414ω_OB/ωm) · | Gpn (jωm) | (6)

Wenn in ähnlicher Weise ω_OB äquivalent zum Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 kleiner gemacht wird als der Reziprokwert der Verzögerungszeit, so wird die Verzögerungszeit Kennlinie Gsn (s) auch durch die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 unterdrückt.

Darüber hinaus wird selbst dann, wenn die Regelstrecke 6 oder die Detektormeßeinrichtung eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, dadurch daß ω_OB kleiner gewählt wird als die Frequenz, bei der die nichtlineare Kennlinie auftritt, die nichtlineare Kennlinie auch durch die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 kompensiert.

Dadurch, daß das Frequenzband ω_OB der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 wie oben beschrieben niedriger gewählt wird, werden unerwünschte Frequenzkennlinien beim Hochfrequenzband der Regelstrecke 6 und der Detektormeßeinrichtung 7 durch gewünschte Übertragungskennlinien der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung 7 ersetzt, die in der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 installiert sind. Damit wird die Hochfrequenzkennlinie des offenen Regelkreises beim Rückführungsregelungssystem verbessert, und die Überschneidungsfrequenz des Rückführungsregelungssystems kann höher gewählt werden.

In Fig. 5 kennzeichnen die gestrichelten Linien bzw. durchgezogenen Linien die Verstärkungskennlinien und Phasenkennlinien nach den Gleichungen (2) bzw. (3). Die Übertragungskennlinie im offenen Regelkreis hat im Falle ohne die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 nach Gleichung (2) hohe Scheitelwerte in der Verstärkungskennlinie beim Hochfrequenzband aufgrund der zwei Punkte der mechanischen Resonanzkennlinie und der Verzögerungskennlinie, und die Phase eilt stark hinterher. Damit wird durch Rückführung des festgestellten Positionssignals y* das Rückführungsregelungssystem offensichtlich instabil und durch Rückführung des von der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 angenommenen wahrscheinlichen Positionssignal stabilisiert. Zusätzlich dazu ist die Übertragungskennlinie Gc 2 (s) des Regelglieds 5 ein bekannter Primär-Phasenvoreil-Kompensator.

Fig. 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm, mit dem die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 nach Punkt 3 realisiert wird. Die Differenz zwischen dem festgestellten Positionssignal y* und dem vorgenommenen Positionssignal wird in dem Operationsverstärker 33 berechnet, und im Operationsverstärker 31 werden das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 und die Wechselspannungskomponente des Treiberstroms u des Linearmotors mit den Verstärkungen der Rückkopplungsverstärkungselemente 115 bzw. 111 multipliziert, danach addiert und integriert. Danach werden das Ausgangssignal des Verstärkers 31 und ein Signal, das so erzeugt wird, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 durch den Operationsverstärker 34 zeicheninvertiert und mit dem Verstärkungsfaktor des Rückkopplungsverstärkungselements 116 multipliziert wird, miteinander addiert und durch den Operationsverstärker 32 integriert, wodurch das angenommene Positionssignal y ausgegeben wird.

Normalerweise wirkt oft eine konstante Dauerbelastung, wie etwa die Schwerkraft, auf die Regelstrecke 6 ein. Zur Kompensation dieser Belastung wird die Gleichspannungskomponente automatisch dem Treiberstrom u des Linearmotors überlagert. Dann kann das dem richtigen Wert näherliegende angenommene wahrscheinliche Positionssignal dadurch erhalten werden, daß nur die Wechselspannungskomponente des Treiberstroms u des Linearmotors dem Operationsverstärker 31 zugeführt wird, ohne daß der Gleichspannungsannahmefehler dem angenommenen Positionssignal überlagert wird.

Wenn das Positionsregelungssystem nicht in Betrieb ist, werden die Integratoren 31 und 32 aufgrund des Ausgangssignals der Rücksetzbefehlausgabeschaltung 35 über die Schalter 36 bzw. 37 rückgesetzt. Gleichzeitig mit dem Start des Betriebs des Positionsregelungssystems wird die Rücksetzung freigegeben oder das festgestellte Positionssignal y* und der Treiberstrom u des Linearmotors, die die beiden Eingangssignale der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 sind, werden auf 0 gesetzt, wodurch das angenommene Positionssignal auf 0 gehalten wird, während der Linearmotor in einem anderen Regelungsmodus als dem Positionsregelungsmodus gehalten wird. Damit kann der Betrieb der Positionsregelung über die ganze Zeit hinweg stabil gehalten werden, ohne daß das Positionsregelungssystem durch einen falschen Anfangswert des angenommenen Positionssignals zu dem Zeitpunkt gestört wird, wenn das Positionsregelungssystem zu arbeiten beginnt.

In Fig. 4 ist die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 durch einen Operationsverstärker realisiert. Sie kann jedoch auch durch eine Digitalschaltung mit einem Mikroprozessor oder einem Digitalprozessor realisiert werden.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild entsprechend Fig. 3. Die 6 Blöcke 111 bis 116 in Fig. 3 sind in einem Block 121, dem der Treiberstrom u des Linearmotors zugeführt wird, und einem Block 122 zusammengefaßt, dem das festgestellte Positionssignal y* zugeführt wird und ein Signal, das durch Addition der entsprechenden Ausgangssignale erzeugt wird, wird das angenommene Positionssignal , das zum Vergleicher 2 rückgeführt wird. Die übrige Betriebsweise und Leistungen sind ähnlich wie in Fig. 3. Da hier der Block 122 die Primär-Integralkennlinie bei Frequenzen von ω_OB oder höher zeigt, wird festgestellt, daß die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 die Funktion hat, die Störung zu eliminieren, die in das festgestellte Positionssignal y* gemischt wurde.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rückkopplungsregelungssystems bei einem Linearmotor. Dieses Rückkopplungsregelungssystem kann dadurch stabilisiert werden, daß ein Signal zurückgeführt wird, das durch Weitergabe eines angenommenen Geschwindigkeitssignals durch ein Rückkopplungsverstärkungselement 203 zusätzlich zu dem von der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 angenommenen wahrscheinlichen Positionssignal erzeugt wird. In diesem Fall muß das Regelglied 5 nicht immer ein Primär-Phasenvoreil-Kompensationselement sein, sondern kann einfach auch ein Verstärkungselement sein.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehpositionsregelungssystems eines Gleichstrommotors, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wenn der Treiberstrom u einem Gleichspannungsmotor 6 zugeführt wird, der das zu regelnde Objekt darstellt, wird in einem Block 63 eine Drehkonstante K_T des Gleichspannungsmotors 6 mit dem Reziprokwert eines Trägheitsmoments J multipliziert und integriert und danach der mechanischen Resonanzkennlinie Gpn (s) unterzogen, so daß sich die Drehgeschwindigkeit ergibt. Sie wird in einem Block 64 noch einmal integriert, so daß sich die Drehposition ergibt.

Die Drehgeschwindigkeit, die die Zustandsgröße v des Gleichstrommotors 6 ist, und die Drehposition, die die Regelgröße y ist, werden durch eine Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung 8, bzw. eine Drehpositionsdetektoreinrichtung 7 als ein Drehgeschwindigkeitssignal v* bzw. ein Drehpositionssignal y* gemessen, und sie werden jeweils einer Zustandsbeobachtungseinrichtung 201, die die gewünschten Kennlinien des Blocks 63 simuliert, der Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung 8, der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101, die die gewünschten Kennlinien der Blöcke 62 und 63 simuliert, bzw. der Drehpositionsdetektoreinrichtung 7 zugeführt. Den Zustandsbeobachtungseinrichtungen 201 und 101 wird zusätzlich der Treiberstrom u über einen Hochpaßfilter 202 zugeführt und das angenommene Drehgeschwindigkeitssignal und das angenommene Drehpositionssignal werden ausgegeben. Das angenommene Drehgeschwindigkeitssignal wird zusammen mit dem angenommenen Drehpositionssignal über ein Verstärkungselement 203 zum Vergleicher rückgeführt und die Differenz bezüglich des Drehbezugseingangssignals r wird die Regelabweichung e. Im Regelglied 5 wird der Treiberstrom u des Gleichspannungsmotors so bestimmt, daß die Regelabweichung e möglichst klein wird.

Die Zustandsbeobachtungseinrichtungen 201 und 101 kompensieren Gvn (s) bzw. Gsn (s), die Abweichungen von den gewünschten Übertragungskennlinien der Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung 8 bzw. der Drehpositionsdetektoreinrichtung 7 darstellen, und arbeiten so, daß die in die Detektoreinrichtung eingemischten Störungen eliminiert werden. Es ist nicht immer erforderlich, beide Zustandsbeobachtungseinrichtungen 201 und 101 vorzusehen, und es ist auch möglich, daß entweder das Drehgeschwindigkeitssignal v*, das die von der Detektoreinrichtung 8 ausgegebene Zustandsgröße ist, oder das Drehpositionssignal y*, das die von der Detektoreinrichtung 7 ausgegebene Regelgröße ist, angenommen werden und das Ausgangssignal der anderen Detektoreinrichtung unverändert zurückgeführt wird.

In der obigen Beschreibung wurden der Linearmotor und der Gleichspannungsmotor als Beispiele für eine Regelstrecke 6 genannt. Es ist jedoch möglich, die Erfindung bei irgendeinem zu regelnden Objekt anzuwenden, bei dem die Zustandsgröße oder die Regelgröße bestimmt werden können, wie beispielsweise in einer Temperaturregelungsanlage.

Wie aus der obigen Beschreibung der Erfindung ersichtlich ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Rückführungsregler eine Zustandsbeobachtungseinrichtung vorgesehen, der als Eingangssignale die Zustandsgröße oder die Regelgröße, ausgegeben von der Detektoreinrichtung und die Betriebsgröße zugeführt werden, und bei der ein Wert der Zustandsgröße oder der Regelgröße näher beim richtigen Wert angenommen wird und diese Größe zurückgeführt wird. Damit können Abweichungen von gewünschten Kennlinien beim Hochfrequenzband, wie etwa der mechanischen Resonanzkennlinie und der Verzögerungszeitkennlinie bezüglich der Regelstrecke und der Detektoreinrichtung kompensiert und die in die Detektoreinrichtung eingemischte Störung eliminiert werden. Aus diesen Gründen kann das Frequenzband des Rückführungsregelungssystems ausgeweitet und ein Rückführungsregler höherer Leistung geschaffen werden.

Claims

1. Rückführungsregler mit einem Bezugseingangselement (1), das einen gewünschten Wert einer Regelgröße (y) oder einer Zustandsgröße (v) ei ner Regelstrecke (6) in eine elektrische Führungsgröße bzw. ein Bezugseingangssignal (r) umwandelt, wobei eine Be triebsgröße (u) ein Eingangssignal der Regelstrecke (6) und die Regelgröße oder Zustandsgröße ein Ausgangssignal der Regelstrecke (6) ist,
einem Vergleicher (2) zum Vergleichen der elektrischen Füh rungsgröße (r) mit einem Rückführungssignal (; ), einer Detektoreinrichtung (7) zum Feststellen der Regel größe (y) oder der Zustandsgröße (v) der Regelstrecke (6) und
eine Zustandsbeobachtungseinrichtung (101), der die Be triebsgröße (u) und die festgestellte Regelgröße (y*) oder die festgestellte Zustandsgröße (v*) als Eingangssignal zu geführt werden und die einen angenommenen Wert der Regel größe () oder der Zustandsgröße () als Rückführungssignal ab gibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) niedriger gewählt wird als die Frequenzen, bei denen die Abweichungen von den gewünschten Übertragungskennlinien der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) auftreten, oder als die Frequenz einer in die Detektoreinrichtung (7) eingemischten Störung.

2. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist, bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) als nicht-lineare Kennlinie definiert ist.

3. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist, bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) als Verzögerungskennlinie definiert ist.

4. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) als mechanische Resonanzkennlinie definiert ist.

5. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) die Wechsel spannungskomponente der Betriebsgröße (u) als Eingangssignal zugeführt wird.

6. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Zustandbeobachtungseinrichtung (101) einen Integrator aufweist.

7. Rückführungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Integrator in den Zustand Null gesetzt wird, wenn der Rückführungsreger nicht in Betrieb ist.

8. Rückführungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das Eingangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) in den Zustand Null gesetzt wird, wenn der Rückführungsreger nicht in Betrieb ist.