DE4038857A1

DE4038857A1 - Verfahren zum betrieb einer regelstrecke

Info

Publication number: DE4038857A1
Application number: DE4038857A
Authority: DE
Inventors: David Jones
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-06-04
Also published as: DE4038857C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Regelstrecke, deren Übertragungsfunktion einen ausgeprägten nichtlinearen Anteil bei kleinen Regelgrößen aufweist, bei dem ein PI-Regler und ein Stromrichter als Stellglied Verwendung finden.

Eine solche Regelstrecke liegt z. B. bei der Ankerstromregelung über Strom richter von Gleichstrommaschinen vor. Zwischen dem Steuerwinkel β des Strom richters und dem Ankerstrom besteht bei kleinen Werten (lückendem Strom) ein nichtlineares Verhalten, das näherungsweise bis zur Lückgrenze durch eine Funktion der 3. Potenz beschrieben werden kann. Die Beziehung lautet:

I_A=c (β₀+k·β³).

Hierbei bedeuten:

β₀ = Anfangssteuerwinkel, bei dem der Strom zu fließen beginnt
(β₀ ist durch ein eingesetztes Synchronfilter beeinflußbar)
k und c = Verstärkungsfaktoren
β = eingestellter Steuerwinkel.

Oberhalb der Lückgrenze folgt ein linearer Bereich, indem der eingesetzte PI-Regler richtig arbeiten kann.

Um im gesamten Stellbereich richtig regeln zu können, sind somit Maß nahmen zur Linearisierung des nichtlinearen Anteils nötig. Bisherige Maß nahmen bezogen sich auf den Regler, waren schwierig und vor allem nicht genau genug. Man begnügte sich mit Handeinstellungen bei bestimmten Be triebszuständen. Insbesondere die Einstellung des Anfangssteuerwinkels β₀ ist aufgrund der geringen Verstärkung in diesem Bereich äußerst schwierig. Eine falsche Einstellung macht sich aber bei größeren Regelgrößen störend bemerkbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine schnellere Inbetriebnahme bei genauerer Einstellung der Parameter zu erreichen. Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der schematischen Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im nach stehenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ankerstromregelung in Blockbilddarstellung

Fig. 2a die Soll-Übertragungsfunktionskurve der Regel strecke

Fig. 2b die inverse Übertragungsfunktionskurve des Über tragungsgliedes

Fig. 3 Kurven zur erfindungsgemäßen schrittweisen An passung an die Soll-Übertragungsfunktionskurve.

Fig. 1 zeigt eine Ankerstromregelung, bei der der Ankerstrom eines Gleich strommotors M über eine Steuereinrichtung 1, hier einen Stromrichter, ver stellt wird. Über eine Meßeinrichtung 2 wird der Istwert I_ist (hier auch mit y bezeichnet) des Ankerstroms gemessen, mit dem Sollwert I_soll des Ankerstroms (hier auch mit r bezeichnet) in einer Additionsstelle 3 ver glichen und die Differenz einem PI-Regler 4 zugeführt. Der Ausgang des PI- Reglers 4 führt eine Spannung, die einem Steuerwinkelwert β_R entspricht.

Ein Summierpunkt 5 gibt einen Wert β_out an die Steuereinrichtung 1 ab, der sich aus dem Ausgang β_R und der β-Abgabe von Summierstufe 6c zu sammensetzt. Der PI-Regler 4 funktioniert jedoch nur richtig, wenn die Übertragungsfunktion der Regelstrecke - Motor einschließlich Steuerein richtung 1 - lineares Verhalten zeigt. Dies ist erst oberhalb der soge nannten Lückgrenze des Stromrichters der Fall, d. h. wenn der Ankerstrom keine Lücken mehr aufweist. Ein solcher Lückstrom ist aber eine Funktion der Induktivität des Lastkreises, der speisenden Wechselspannung und der Netzfrequenz. Die Lückgrenze liegt normalerweise bei etwa 25% des Nenn stromes. Davor hat mit einem Offset = Anfangssteuerwinkel von β₀ be ginnend - wie aus Fig. 2a ersichtlich - der Strom einen mit 3. Potenz progressiv ansteigenden Verlauf. Diese Sollkurve der Übertragungsfunktion der Regelstrecke ist mit K₁ bezeichnet.

Zur Linearisierung dieses Bereiches wird dem PI-Regler 4 nach der Erfin dung ein Übertragungsglied 6 parallelgeschaltet, das eine der Regelstrecke inverse Übertragungsfunktionskurve K₂ aufweist (y = f₁ ^-1(x)), wie es in Fig. 2b angedeutet ist. Mit der entgegenwirkenden inversen Übertragungs funktionskurve K₂ des Übertragungsgliedes 6 soll die Soll-Übertragungs funktionskurve K₁ der Regelstrecke (1+M) linearisiert werden. Dazu ist jedoch eine möglichst genaue Anpassung an die Soll-Übertragungsfunktions kurve K₁ nötig.

Das Übertragungsglied 6 besteht im wesentlichen aus einem über zwei Para meter verstellbaren Funktionsgeber 6a (vgl. Fig. 1), dem die Führungs größe I_soll, über eine Multiplikationsstufe 6b mit dem Verstärkungsfaktor K verknüpft, zugeführt wird. Eine Summierstufe 6c addiert zum Ausgangswert β_ü des Funktionsgebers 6a noch einen vorgebbaren Offsetwinkel β₀. Der Ausgang der Summierstufe 6c ist auf β_lück begrenzt und wirkt auf Summier punkt 5.

Über den Verstärkungsfaktor K des Übertragungsgliedes 6 kann die Steil heit der mit dieser Einrichtung erzielbaren resultierenden Übertragungs funktionskurve variiert und der Sollübertragungsfunktionskurve K₁ angepaßt werden. Über den Wert β₀ wird der Einsatzpunkt bzw. Beginn der Kurve be stimmt. Eine Änderung von β₀ (z. B. von einem Wert 0 auf 1) führt zu einer bloßen Parallelverschiebung der Kurven (vgl. Fig. 2b).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Übertragungsglied 6 einfach und sehr genau gesetzt werden, so daß sich insgesamt resultierend ein lineares Verhalten zwischen der Führungsgröße I_soll (entspricht Eingangs größe r) und dem Steuerwinkel β bzw. dem zugehörigen Stromistwert I_ist (entspricht y) als Ausgangsgröße wie vorgesehen im Bereich bis zur Lück grenze ergibt.

Die Fig. 3 zeigt wieder die bekannte Soll-Übertragungsfunktionskurve K₁ der Regelstrecke als Abhängigkeit des Stromes vom Steuerwinkel β_out. Zunächst wird die Lückgrenze I_Lück bestimmt, d. h. der Sollwertstrom, bei dem der Laststrom nicht mehr lückt. Das kann oszillographisch geschehen und es werden Arbeitspunkte P1 z. B. mit 1/2 I_Lück und P2 mit z. B. 1/4 I_Lück bestimmt. Es können auch andere Arbeitspunkte gewählt werden. Stimmen die eingestellten Parameter am Übertragungsglied 6, dann ist der Ausgang des PI-Reglers 4 infolge seines integralen Verhaltens für jeden Wert I_soll =0. Ist der Ausgang dagegen nicht 0, liegt ein Fehler vor. Entspricht z. B. die falsch liegende Kurve K₅ - aufgrund des falsch eingestellten Übertragungsgliedes 6 - der augenblicklich resultierenden Übertragungs funktionskurve mit Einsatzwert β_ox, dann wird zunächst der Verstärkungs faktor K geändert. Damit schwenkt die Kurve K₅ nach links und erreicht schließlich den Arbeitspunkt P1 (Kurve K₆, gestrichelt). Das Erreichen des Arbeitspunktes P1 ist durch die Nullwertausgabe für β_R aus PI-Regler 4 erkennbar. Anschließend wird bei gleicher Verstärkung der Stromsollwert auf z. B. 1/4 I_Lück (entspricht Arbeitspunkt P2) abgesenkt. Ist der PI- Reglerausgang β_R jetzt bereits gleich 0, dann ist schon die gewollte Kurvenanpassung (Linearisierung) erreicht. Wenn nicht, dann wird der ge messene Ausgangswert β_R des PI-Reglers 4 vom Einsatzsteuerwinkel β_ox abgezogen und damit ein neuer Einsatzsteuerwinkel β_ox1 bestimmt. Von diesem ausgehend wird wieder durch Variation des Verstärkungsfaktors K für Arbeitspunkt P1 auf β_R=0 abgeglichen (Kurve K₇, strichpunktiert) und wieder auf ein 1/4 I_Lück abgesenkt. Ein etwaiger Ausgangswert am PI-Regler 4 wird vom letzten Einsatzsteuerwinkelwert β_ox1 abgezogen. Neuer Einsatzwinkelwert ist nun β_ox2. Wieder wird der Verstärkungsfaktor K für arbeitspunkt 1 geändert und die Kurve K₈ (punktiert) erreicht.

Iterativ werden somit K und β geändert und es wird eine schrittweise An näherung an die Soll-Übertragungsfunktionskurve K₁ vollzogen. Dies kann per Hand, zweckmäßig jedoch über eine geeignete Software und einen Pro zessor durchgeführt werden, wobei dann das geschilderte Verfahren auf ggf. viele Arbeitspunkte ausdehnbar ist.

Der Ausgang der Summierstufe 6c ist auf einen Wert β_Lück begrenzt. Da nach wird der maßgebende Steuerwinkel β_out für den Stromrichter 1 aus schließlich vom PI-Regler 4 beeinflußt.

Durch das geschilderte Verfahren kann bei hoher Genauigkeit auch eine schnelle Linearisierung des nichtlinearen Bereichs der Übertragungsfunk tion der Regelstrecke erzielt werden.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Regelstrecke, deren Übertragungsfunktion einen ausgeprägten nichtlinearen Anteil bei kleinen Regelgrößen aufweist, bei dem ein PI-Regler und ein Stromrichter als Stellglied Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß für den nichtlinearen Anteil ein dem PI-Regler (4) parallel geschal tetes Übertragungsglied (6) mit einer zur Regelstrecke (1+M) inversen Übertragungsfunktionskurve für die Regelung vorgesehen wird und eine Linearisierung durch exakten Abgleich der inversen Übertragungsfunk tion des Übertragungsgliedes erfolgt, in dem mit iterativen Änderungen der Parameter Verstärkung (K) und Steuerwinkel (β_ü) am Übertragungs glied (6) jeweils ein Nullabgleich des PI-Reglers (4) zwischen ver schiedenen ausgewählten Arbeitspunkten (P1, P2) vorgenommen wird, bis der Reglerausgang (β_R) für alle diese Betriebspunkte (P1, P2) gleich 0 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- für einen ersten Arbeitspunkt (P1) auf der Soll-Übertragungsfunktions kurve (K₁) wird der Verstärkungsfaktor (K) soweit verändert, bis die erzielte resultierende Übertragungsfunktionskurve (K₅) durch diesen Arbeitspunkt (P1) läuft, wobei der Ausgang (β_R) des PI-Reglers (4) = 0 wird,
- für einen zweiten Arbeitspunkt (P2) auf der Soll-Übertragungsfunk tionskurve (K₁) wird bei gleichbleibender Verstärkung (K) der Aus gang (β_R) des PI-Reglers (4) gemessen und als Fehler vom Steuer winkeleinsatzpunkt (β_ox) der vorher erzielten resultierenden Über tragungsfunktionskurve (K₅) abgezogen und ein neuer Steuerwinkelein satzpunkt (β_ox1) gebildet,
- mit dem neuen Steuerwinkeleinsatzpunkt (β_ox1) wird für den ersten Arbeitspunkt (P1) der Verstärkungsfaktor (K) variiert, bis der Aus gang (β_R) des PI-Reglers (4) wieder 0 ist damit ergibt sich eine neue Übertragungsfunktionskurve (K₇),
- für den zweiten Arbeitspunkt (P2) wird bei gleichbleibender Ver stärkung des Ausgangs (β_R) des PI-Reglers (4) gemessen und als Fehler vom neuen Steuerwinkeleinsatzpunkt (β_ox1) der zuletzt er zielten resultierenden Übertragungsfunktionskurve (K₇) abgezogen und der Steuerwinkeleinsatzpunkt (β_ox2) gebildet,
- mit dem neuesten Steuerwinkeleinsatzpunkt (β_ox2) ergibt sich für den Arbeitspunkt (P1) eine neue resultierende Übertragungsfunktions kurve (K₈),
- bei 0-Ausgang des PI-Reglers (4) in jeweils beiden Arbeitspunkten (P1 und P2) ist eine Linearisierung erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Arbeitspunkt (P1) auf der Soll-Übertragungsfunktions kurve (K₁) ein Wert von etwa 1/2·I_Lück und als zweiter Arbeitspunkt (P2) ein Wert von etwa 1/4·I_Lück gewählt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Vielzahl von Arbeitspunkten (P1 ... Pn) die Genauigkeit der Anpassung der resultierenden Übertragungsfunktionskurve an die Soll-Übertragungsfunktionskurve (K₁) erhöht werden kann.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung, insbesondere mit vielen Arbeitspunkten automatisch über ein Rechnerprogramm erfolgt.