DE4004183C2 - Schrittregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittregler gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Derartige Regler mit Rückführungen sind allgemein bekannt, z. B. aus "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge" von Oppelt, 5. Auflage, 1972, Seiten 237 ff. und 586 ff. sowie aus DE 25 09 219.A1. Durch die Art der Rückführung wird das Regelverhalten bestimmt. In DE 25 09 219 ist ein Nachlauf­ regelkreis beschrieben, der im Vorwärtskreis einen Dreipunkt- Schalter enthält, der über eine einen Integrator enthaltende Rückführung gegengekoppelt ist.

In dem VDI/VDE-Richtlinienentwurf 2189, Bl. 3, Version 0.14 und in der Zeitschrift "Regelungstechnik" (14. Jahrgang 1966), Heft 4, Seite 168 . . . sind Dreipunkt-Schrittregler mit PI-Verhalten beschrieben. In der Grundstruktur solcher Regler wird ein Dreipunktschalter mit Hysterese mit einem Verzögerungsglied gegengekoppelt, das im allgemeinen für die Auf- und die Entladung unterschiedliche Zeitkonstanten aufweist. Durch die Verstärkung dieser Rückfüh­ rung ist die Reglerverstärkung, durch die Entladezeitkonstante in Verbindung mit der Hysterese die Nachstellzeit bestimmt.

Zusammen mit einem dem Dreipunktschalter nachgeschalteten inte­ grierenden Stellantrieb entsteht ein PI-Verhalten. Bei einer nichtlinearen Aufladekennlinie der Rückführung (e-Funktion) ist die Reglerverstärkung abhängig vom Betrag der Regeldifferenz.

Eine andere, vor allem bei digital arbeitenden Reglern einge­ setzte Struktur enthält einen linearen, kontinuierlichen Reg­ ler mit nachgeschaltetem Stellungsregler, der als Impulsformer die Änderungen des Reglerausgangssignals in Stellimpulse ent­ sprechender Dauer umformt. Durch die Kombination des linearen Reglers mit dem Stellantrieb mit begrenzter Stellgeschwindig­ keit erhält man auch bei dieser Struktur eine Abhängigkeit der wirksamen Reglerverstärkung vom Betrag der Regeldifferenz und auch von der eingestellten Nachstellzeit.

In der europäischen Patentanmeldung 0 299 321 ist ein schal­ tender PI-Regler beschrieben, bei dem, wie in der zuvor ange­ gebenen Struktur, im Vorwärtszweig aus der Differenz zwischen Regelabweichung und einem Rückführungssignal ein der Sollbewe­ gung des Stellgliedes entsprechendes Signal gebildet wird. Im Rückführungszweig wird aus dem der Sollbewegung entsprechenden Signal ein der tatsächlichen Bewegung entsprechendes Signal ge­ bildet. Ferner ist dort ein Rechenglied enthalten, welches periodisch in je einer Reglerabtastperiode das der tatsächli­ chen Bewegung entsprechende Signal in einem ersten Schritt zum Rückführungssignal addiert und in einem zweiten Schritt vom Additionsergebnis das Produkt des Rückführungssignals mit dem Verhältnis von Reglerabtastperiode zu Nachstellzeit subtrahiert und das Subtraktionsergebnis als neues Rückführungssignal vom Eingangssignal subtrahiert. Auch in einem solchen Regler hängt die wirksame Verstärkung vom Betrag der Regeldifferenz und von der eingestellten Nachstellzeit ab.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittregler zu schaffen, der keine oder nur eine geringe Ab­ hängigkeit der wirksamen Reglerparameter vom Reglereingangs­ signal aufweist und bei dem die Reglerparameter praktisch keine Wechselwirkungen untereinander zeigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der in der Rückführung des Schalters enthaltene Integrator kann ein an den Schalter angeschlossener integrierender Stellantrieb sein, wenn dessen Stellung erfaßt wird. Es wird dann exakt ein der Position des Stellgliedes entsprechendes Signal rückge­ führt. Wird die Position des Stellantriebes nicht erfaßt, kann sie mit einem Integrator nachgebildet werden. Ein solcher Inte­ grator kann mit dem im Parallelzweig liegenden Integrator, über den das Eingangssignal des Reglers dem Schalter zugeführt wird, zusammengefaßt werden.

Der neue Regler kann wegen der fehlenden Abhängigkeit der wirksamen Reglerparameter von der Reglereingangsgröße und der Unabhängigkeit der Reglerparameter voneinander wie ein linearer Regler optimiert werden, so daß er auch als selbstadaptierender Regler verwendet werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung ist ein gemeinsamer Integrator fuhr die Rückführung und den Parallelzweig vorhanden. Auf die Ladung dieses gemeinsamen Integrators wirken die Rückführung und der Parallelzweig ent­ gegengesetzt, so daß der Integrator nicht in die Sättigung gehen kann und Maßnahmen zur Begrenzung und Nachführung der Ladung nicht erforderlich sind.

Vor allem in Verbindung mit einer solchen Ausgestaltung der Er­ findung ist eine Adaption der Ansprechschwelle des Dreipunkt­ schalters möglich, und zwar derart, daß die Ansprechschwelle auf den kleineren Wert von Ausgangssignal des Integrators und Reglereingangssignal bzw. jeweils davon abgeleiteter Signale eingestellt wird. Damit wird die Schalthäufigkeit verringert, ohne daß der Regler träge wird. Da die Ausschaltschwelle nicht verändert wird, ist eine solche Adaption der Ansprechschwelle gleichbedeutend mit einer Adaption der Schaltdifferenz. Diese konnte auch durch eine entsprechende Adaption der Ausschalt­ schwelle erzielt werden.

Die beschriebene Adaption der Ansprechschwelle bzw. der Schalt­ differenz ist nicht nur in dem erfindungsgemäßen Schrittregler und dessen Ausgestaltungen anwendbar, sondern grundsätzlich bei allen Schrittreglern mit integrierender Rückführung.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher beschrieben und erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungs­ beispiels der Erfindung,

Fig. 2 veranschaulicht die Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

in Fig. 3 ist das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungs­ beispiels dargestellt.

In Fig. 1 ist mit AH eine Abtast- und Halteschaltung bezeich­ net, die, gesteuert von einem Abtastsignal, nach je einer Ab­ tastzeit T_a eine Regeldifferenz x_w abtastet, während der Ab­ tastzeit speichert und das gespeicherte Signal einem Totzonen­ glied T_Z zuführt. Ein Multiplizierer MP1 multipliziert dessen Ausgangssignal mit der Reglerverstärkung K_p. Das so gebildete Signal Y_p gelangt einerseits direkt auf einen Addierer ADD1, andererseits wird es über einen Parallelzweig mit einem Schal­ ter S1, einem zweiten Multiplizierer MP2, der es mit dem Ver­ hältnis von Abtastzeit T_a zu Nachstellzeit T_n des Reglers multipliziert, und mit einem Integrierer I1 einem zweiten Ein­ gang des Addierers ADD1 zugeführt. Von dessen Ausgangssignal y_i subtrahiert ein Subtrahierer SB2 ein Signal y_M, dessen Be­ deutung weiter unten erläutert wird; die Differenz y_e wird dem Eingang eines Dreipunktschalters DPS1 zugeführt.

Dreipunktschalter haben zwei Schaltpunktpaare mit je einem durch eine Ansprechschwelle bestimmten Einschaltpunkt und mit je einem durch eine Ausschaltschwelle bestimmten Ausschaltpunkt. Die Differenz zwischen Ansprech- und Ausschaltschwelle gibt eine Hysterese. Das Ausgangssignal hat drei mögliche Zustände, und zwar zwei "Ein"-Zustände, z. B. für Motor-Rechts- und Motor-Linkslauf und einen "Aus"-Zustand. Die "Ein"-Zustände unterscheiden sich durch die Polarität eines Signals oder, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, dadurch, daß an einem oder dem anderen von zwei Ausgängen R, L ein Stellsignal y_R, y_L auf­ tritt. Im "Aus"-Zustand wird kein Stellsignal abgegeben. Für das Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der Dreipunkt­ schalter DPS1 an seinem Ausgang einen Impulsformer enthält, der für die Ansteuerung eines Stellantriebs geeignete Impulse, z. B. mit einer Mindestdauer und einem Mindestabstand, an den Ausgängen R, L abgibt. Die Stellsignale y_R, y_L sind einem inte­ grierenden Stellantrieb ST, z. B. mit einem Motor, zugeführt.

An die beiden Ausgänge R, L des Dreipunktschalters DPS1 ist ferner ein NOR-Glied NOR angeschlossen, das den Schalter S1 steuert, derart, daß dieser geschlossen ist, wenn an keinem der beiden Ausgänge R, L ein Stellimpuls liegt. Das Integrierglied I1 ist daher nur während der Zeiten wirksam, in denen kein Stellimpuls abgegeben wird.

Das Signal am subtrahierenden Eingang des Subtrahierers SB2 entspricht der Position des Stellgliedes ST. Im einfachsten Falle liefert dieses Signal ein Stellungsgeber, der an den Stellantrieb angeschlossen ist, über eine gestrichelt gezeich­ nete Leitung R_L. Falls ein solcher Stellungsgeber nicht vorhan­ den ist, wird die Position nachgebildet, indem das jeweilige Signal an den Ausgängen R, L des Dreipunktschalters DPS1 von einem Multiplizierer MP3 mit dem Verhältnis aus Abtastzeit T_a zur Stellzeit T_M des Motors multipliziert und das Produkt von einem Integrierer I2, dessen Zeitkonstante wie die des Inte­ grierers I1 der Stellgeschwindigkeit des Stellantriebs ST ent­ spricht, aufintegriert wird. Die Stellzeit T_M des Stellantrie­ bes ist die Zeit, die dieser benötigt, um von einer Endlage in die andere zu kommen. Das Verhältnis T_a/T_M entspricht daher dem Stellweg, den der Stellantrieb in einer Abtastperiode T_a zu­ rücklegt.

Zusammen mit der Rückführung über den Integrator I2 und den Multiplizierer MP3 bzw. über die Leitung RL bildet der Drei­ punktschalter DPS1 einen Proportionalregler, da der Stell­ antrieb ST bei einer sprungförmigen Änderung des Regler­ eingangssignals x_w um einen zu dieser Änderung proportionalen Betrag verfahren wird. Danach wird ein im Parallelzweig S1, MP2, I1 erzeugter Integralanteil aufgeschaltet.

In Fig. 2 ist dies veranschaulicht. Zu einem Zeitpunkt to (Diagramm a) macht das Eingangssignal x_w einen Sprung auf den Wert x_w0. Demgemäß beträgt das Signal y_e am "+"-Eingang des Subtrahierers SB2 und zunächst auch das Eingangssignal y_e des Dreipunktschalters DPS1 Y_p0 = K_p · x_w0 (Diagramm c). Dessen Ansprechschwelle wird überschritten, und er gibt als Signal y_R einen ersten Impuls P1 (Diagramm b) ab. Der Stellantrieb ST wird mit konstanter Geschwindigkeit verfahren, und damit steigt das der Position des Stellantriebs entsprechende Signal y_M linear an, bis im Zeitpunkt t₁ das Signal y_e kleiner als die Abschaltschwelle des Dreipunktschalters DPS1 und der Stell­ impuls beendet wird. In Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber die Abschaltschwelle nicht eingezeichnet. Wegen der konstanten Stellgeschwindigkeit des Stellantriebs ist die Dauer des ersten Stellimpulses P1 und damit der Stellweg proportional zur Größe der Eingangssignaländerung x_w0 der Regler hat daher bis zum Zeitpunkt t₁ Proportionalverhalten.

Mit dem Ende des ersten Impulses P1 wird der Schalter S1 ge­ schlossen, das mit dem Faktor K_p · T_a/T_M multiplizierte Ein­ gangssignal wird aufintegriert und das Ausgangssignal des Integrators I1 zum Signal y_p0 addiert. Das Summensignal y_i (gestrichelte Linie in Fig. 2) steigt daher langsam an, bis im Zeitpunkt t₂ die Differenz y_e die Ansprechschwelle des Drei­ punktschalters DPS1 erreicht und ein zweiter Stellimpuls P2 abgegeben wird. Der Schalter S1 wird geöffnet und das Signal y_i bleibt konstant, während das Rückführungssignal y_M mit der Positionsänderung des Stellantriebes ansteigt. Sinkt die Diffe­ renz y_i - y_M unter die Abschaltschwelle des Dreipunktschalters, wird der Stellimpuls P2 beendet, der Schalter S1 geschlossen und die Integration des Signals y_p0 · T_a/T_N wird fortgesetzt, bis die Ansprechschwelle des Dreipunktschalters wieder über­ schritten wird und der nächste Stellimpuls P3 erzeugt wird. Dieses Spiel wiederholt sich, solange das Eingangssignal x_w0 ansteht. Der Regler hat somit ein nahezu ideales PI-Verhalten. Bis zum Zeitpunkt t₁ ist nur der Proportionalanteil wirksam, danach nur der Integralanteil. Das Signal y_i des Reglers nach Fig. 1 zeigt, wie aus dem Diagramm c hervorgeht, einen leicht stufenförmigen Verlauf. Dieser ist dadurch verursacht, daß der Schalter S1 ausschließlich von den Stellimpulsen gesteuert wird. Die Stufung des Signals y_i kann dadurch vermieden werden, daß man den Schalter S1 nur während der durch den Proportional­ anteil des Reglers verursachten Stellimpulse P1 öffnet, z. B. in der Weise, daß der Schalter S1 nur während des ersten Impul­ ses nach einer die Ansprechschwelle des Dreipunktschalters DPS1 überschreitenden Änderung des Signals y_e geschlossen wird. In jedem Falle kommt es darauf an, daß der Integralanteil des Reglers, also der Parallelzweig, während der Zeit, in welcher der Proportionalanteil des Reglers wirksam ist, abgeschaltet ist.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Integratoren I1 und I2 des Reglers nach Fig. 1 zusammengefaßt sind, ist in Fig. 3 veranschaulicht. Das Aus­ gangssignal y_p eines Multiplizierers MP4, der das gegebenen­ falls über ein Totzonenglied geführte Eingangssignal x_w mit der Reglerverstärkung K_p multipliziert, wird über einen Subtra­ hierer SB3 dem Eingang eines Dreipunktschalters DPS2 zugeführt. Die von diesem abgegebenen Stellimpulse werden ebenso wie im Regler nach Fig. 1 von einem Multiplizierer MP5 mit dem Ver­ hältnis von Abtastzeit T_a zur Stellzeit T_M multipliziert. Das Ergebnis wird über einen Subtrahierer SB4 einem Integrator I3 zugeführt, dessen Zeitkonstante zweckmäßig gleich der Stellzeit des Stellantriebes ist. Sein Ausgangssignal wird vom Subtra­ hierer SB3 von dem des Multiplizierers MP4 subtrahiert und die Differenz dem Dreipunktschalter DPS2 zugeführt. Das Aus­ gangssignal des Multiplizierers MP4 wird ebenfalls, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, über einen zur direkten Ver­ bindung zum Subtrahierer SB3 parallelen Zweig geführt, der aus einem Schalter S2, einem Multiplizierer MP6, dem Subtrahierer SB4 und dem Integrator I3 besteht. Der Schalter S2 ist von den Stellimpulsen des Dreipunktschalters DPS2 so gesteuert, daß er zumindest dann nicht geschlossen ist, wenn ein durch den Pro­ portionalanteil des Reglers bedingter Stellimpuls abgegeben wird. Der Multiplizierer MP6 multipliziert das Ausgangssignal des Schalters S2 mit dem Verhältnis von Abtastzeit T_a zu Nach­ stellzeit T_N des Reglers. Der Einsatz des Integrierers I3 so­ wohl im Rückführungszweig des Dreipunktschalters DPS2 als auch im Parallelzweig zwischen Multiplizierer MP4 und Subtrahierer SB3 hat u. a. den Vorteil, daß der Integrator I3 einmal aufge­ laden und dann wieder entladen wird. Zu beachten ist, daß im Parallelzweig die "-"-Eingänge der Subtrahierer SB3, SB4 lie­ gen und sich die beiden Negationen aufheben.

Je größer die Ansprechschwelle des Dreipunktschalters DPS2 ist, desto größer muß die Regeldifferenz werden, damit das P-Verhal­ ten des Reglers einen Stellimpuls auslöst. Desto größer wird aber auch die Hysterese des Dreipunktschalters, so daß die Schalthäufigkeit verringert wird. Der Regler wird aber dadurch auch träger. Zur Reduktion der Häufigkeit der Stellimpulse, die der Regler zur Ansteuerung des integral wirkenden Stellantrie­ bes abgibt, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung die An­ sprechschwelle des Dreipunktschalters adaptiert, und zwar mit­ tels einer Minimalwert-Auswahl MIN auf den kleineren Betrag der beiden dem Subtrahierer SB3 zugeführten Größen. Die Ausschalt­ schwelle sollte konstant gehalten werden, damit sich die Schaltdifferenz mit der Ansprechschwelle ändert. Wesentlich ist, daß die Schaltdifferenz adaptiert wird. Diese Ansprech­ schwellenadaption ist jedoch nur so lange wirksam, wie der Regler keinen Stellimpuls ausgibt. Eine solche Weiterbildung reduziert die Anzahl der für die Ausregelung eines dynamischen Vorganges erforderlichen Anzahl der Stellimpulse. Die Adaption ist zweckmäßig auf einen Minimal- und einen Maximalwert der Ansprechschwelle begrenzt. Hierzu dient ein Begrenzer BG. Eine entsprechende Maßnahme kann in allen Schrittreglern mit inte­ grierender Rückführung eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Schrittregler mit PI-Verhalten mit einem Stellimpulse abgebenden, eine Ansprechschwelle und eine Hysterese aufwei­ senden Dreipunktschalter, der über eine einen Integrator ent­ haltende Rückführung gegengekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal des Reglers (x_w) oder ein davon abgeleitetes Signal (y_p) einerseits direkt und andererseits über einen einen Integrator (I1, I3) enthaltenden Parallelzweig dem Dreipunktschalter (DPS1, DPS2) zugeführt ist, wobei der Integrator (I1, I3) des Parallelzweigs während der durch das Proportionalverhalten des Reglers be­ wirkten Stellimpulse unwirksam ist.

2. Schrittregler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Integrator (I1, I3) des Parallelzweiges nur während der Stellimpulspausen wirksam ist.

3. Schrittregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-
kennzeichnet, daß das Signal im Parallelzweig mit dem Verhältnis von Abtastzeit des Reglers (T_a) zur Nachstell­ zeit (T_N) multipliziert wird.

4. Schrittregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Rückfüh­ rungssignal (y_M) dem Stellweg eines dem Dreipunktschalter (DPS1, DPS2) nachgeschalteten Stellantriebs entspricht.

5. Schrittregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Rückfüh­ rungssignal von den Stellimpulsen abgeleitet ist, die Zeitkon­ stante des Integrators (I2, I3) der Stellgeschwindigkeit des Stellantriebes (ST) entspricht und die Rückführung einen Multiplizierer (MP3, MP5) enthält, der das Rückführungssignal mit einem der relativen Stellzeit des Stellgliedes entspre­ chenden Signal (T_a/T_M) multipliziert.

6. Schrittregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Integrator (I3) für die Rückführung und den Parallelzweig vor­ handen ist.

7. Schrittregler mit PI-Verhalten mit einem Stellimpulse ab­ gebenden, eine Ansprechschwelle und eine Hysterese aufweisen­ den Dreipunktschalter, der über eine einen Integrator ent­ haltende Rückführung gegengekoppelt ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Dreipunktschalter (DPS1, DPS2) ein Subtrahierer (SB2, SB3) vorgeschaltet ist, dem einerseits das Eingangssignal (x_w) oder ein davon abgeleitetes Signal andererseits das Rückführungssignal zugeführt ist, und daß die Ansprechschwelle des Dreipunktschalters (DPS1, DPS2) während der Stellimpulspausen auf den kleineren Wert der beiden Signale eingestellt wird.

8. Schrittregler nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einstellung der Ansprech­ schwelle durch einen Minimal- und/oder Maximalwert begrenzt ist.