DE4333808C2

DE4333808C2 - Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE4333808C2
Application number: DE19934333808
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Ing Mann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2013-10-05
Also published as: DE4333808A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Regeleinrichtung ist aus DE-OS 39 31 727 bekannt.

Regler sollen Störungen schnell ausregeln. Ein schneller Reg ler spricht aber bereits auf mögliches Rauschen des Meßsi gnals an, verändert dementsprechend seine Stellgröße und schaltet das Stellglied unnötig oft ein und aus, so daß die ses übermäßig beansprucht wird. Regler sollen daher relativ selten auftretende größere Störungen möglichst schnell ausre geln, während sie auf die ständig auftretenden kleinen Stö rungen des Meßsignalrauschens möglichst sanft reagieren soll ten.

Mit einer aus der DE-PS 24 12 641 bekannten Schaltungsanord nung wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß ver rauschte Meßsignale so aufbereitet werden, daß der Störanteil unterdrückt wird, Änderungen des Nutzsignals jedoch unvermin dert und unverzögert übertragen werden. Hierzu wird ein Ver zögerungsglied erster Ordnung und ein nichtlineares Übertra gungsglied mit Totzone eingesetzt. Diese Totzone wird größer oder gleich der Amplitude des Störanteils eingestellt, so daß dieser nicht übertragen wird.

In der DE-PS 28 39 654 ist ferner angegeben, die Totzonen breite nicht in Abhängigkeit von momentan auftretenden Stö rungsspitzen, sondern lediglich von der Amplitudenhöhe des im Vergleich zum Nutzsignal höherfrequenten Störsignals einzu stellen. Bei Verwendung von nichtlinearen Elementen, z. B. mit Totzone, stellt sich das Problem, daß das Regelverhalten eines Reglers, der auf einem linearen Modell basiert, z. B. eines Zustandsreglers, sehr nachteilig beeinflußt wird.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, in einer Regeleinrichtung einen schnellen und einen langsamen Regler bzw. einen Regler mit umschaltbaren Zeitkonstanten vorzusehen. Hier stellt sich jedoch die gegenseitige Nachführung der beiden Regler als Problem heraus. Beim Übergang vom sanften in den schnellen Regelbetrieb ist der schnelle Regler durch die Nachführung in seiner Dynamik nachteilig beeinflußt, so daß er je nach Ver fahren entweder zu langsam mit der Folge einer größeren Regelabweichung oder zu schnell mit der Folge eines Stell größenüberschwingens die Führung übernimmt. Beim Übergang vom schnellen in den langsamen Regelbetrieb besteht die Gefahr, daß es zu einer Grenzschwingung kommt, bei der zwischen den beiden Reglern hin- und hergeschaltet wird. Aus diesem Grund wird erst dann in den langsamen Regelbetrieb zurückgeschal tet, wenn eine Störung vollständig ausgeregelt ist. Dazu nimmt man eine längere, durch das Meßrauschen verursachte Beanspruchung des Stellgliedes in Kauf. Eine entsprechende Regeleinrichtung, die ferner mit einem Prädiktor und einem Regelstreckenmodell arbeitet, ist aus der DE-PS 34 18 501 bekannt.

Aus der EP-OS 0 554 479 ist eine Regeleinrichtung mit mehre ren parallel arbeitenden Reglern bekannt, deren Ausgangs signale gewichtet aufsummiert werden.

Schließlich ist aus der US-PS 4 879 644 eine Regeleinrichtung mit mehreren Reglern für unterschiedliche Bewegungsarten ei ner Positioniereinrichtung bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung mit Reglern unterschiedlichen Regelverhal tens, z. B. mit einem schnellen und einem langsamen Regler, zu schaffen, aus deren Ausgangssignalen problemlos die Stell größe, z. B. durch Umschalten, gebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird mit der im Anspruch 1 angegebenen Regel einrichtung gelöst.

Jedem Regler ist ein Regelstreckenmodell zugeordnet, dem die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des zugeordneten Reg lers und der Stellgröße zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Modells wird zur Regelabweichung addiert, und die Summe ist dem Eingang des Reglers zugeführt, derart, daß der Regler nicht erkennt, ob und inwieweit sein Ausgangssignal zur Stellgröße der Regelstrecke beiträgt.

Die Umschaltlogik entscheidet aufgrund vorgegebener Krite rien, wie die Ausgangssignale der Regler zur Stellgröße ver knüpft werden. Vorgegebene Kriterien sind z. B. die Regelab weichung und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Regelab weichung. Im allgemeinen ist es jedoch besser, die Regleraus gangssignale und/oder deren Änderungsgeschwindigkeiten als Kriterien für die Bildung der Stellgröße zu verwenden. Im allgemeinen wird die Stellgröße als Linearkombination der Ausgangssignale gebildet. Z. B. kann im Falle von zwei Reg lern bei einer bestimmten Differenz der Reglerausgangssignale und einer bestimmten zeitlichen Ableitung der Differenz das Ausgangssignal des einen Reglers zu 80% und das des anderen Reglers zu 20% zur Stellgröße beitragen. Unter anderen Be dingungen sind die Anteile verändert, zum Beispiel sind sie dann 30% und 70%. Im einfachsten Falle schaltet die Um schalteinrichtung eines der Ausgangssignale der Regler als Stellgröße durch, d. h., die Anteile betragen 0 und 100 %. Die jeweils passiven Regler werden nachgeführt, wenn ihre Ausgangsgrößen von der Stellgröße abweichen.

Zwar kann die Stellgröße, die mit den Ausgangssignalen der Regler verglichen wird, die dem Stellglied zugeführte Soll- Stellgröße sein. Zweckmäßig wird jedoch die Ist-Stellgröße am Ausgang des Stellgliedes verwendet, da dann das Regelverhal ten auch im Falle einer Differenz zwischen Soll- und Ist- Stellgröße, z. B. bei Stellglied- oder Stellgeschwindigkeits begrenzungen, verbessert wird.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel schema tisch dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung so wie Weiterbildungen und Ergänzungen näher beschrieben und er läutert.

Mit RS ist eine Regelstrecke bezeichnet, an der eine Regel größe x gemessen wird, die in einem Subtrahierer SB1 mit ei ner Führungsgröße w verglichen wird. Die daraus gebildete Re gelabweichung x_d wird über Subtrahierer SB2, SB3 geführt, in denen die Regelgröße additiv mit Ausgangsgrößen x_m1, x_m2 von Regelstrecken-Modellen M1, M2 verändert wird. Die so modifi zierten Regelabweichungen x_dm1, x_dm2 werden Reglern R₁, R2 zugeführt, die unterschiedliches Regelverhalten haben. Der Regler R1 sei ein langsamer, der Regler R2 ein schneller Reg ler. Ihre Ausgangssignale y₁, y₂ werden einer Umschaltlogik US zugeführt, die eines der beiden Signale in Abhängigkeit von ihrer Differenz als Soll-Stellgröße y_soll durchschaltet und ein Stellglied SG ansteuert. Dessen Ausgangssignal, die Ist- Stellgröße y_mess, wirkt auf die Strecke RS und wird ferner Subtrahierern SB4, SB5 zugeführt, welche die Ist-Stellgröße Y_mess von den Ausgangssignalen der Regler R1, R2 abziehen und die Differenzen den Modellen M1, M2 aufschalten.

Für die Beschreibung der Funktion der neuen Regeleinrichtung wird angenommen, daß der Regler R₁ der langsame Regler und aktiv ist, d. h., daß sein Ausgangssignal zum Stellglied SG durchgeschaltet wird und daß der Regler R2 passiv ist. Der langsame Regler R₁ reagiert nicht auf das der Regelgröße x überlagerte Rauschen, das Stellglied SG wird daher nicht an gesteuert. Der schnelle Regler R2 reagiert zwar auf das Rau schen, eine Umschaltschwelle der Umschaltlogik US ist aber so eingestellt, daß der durch das Rauschen bedingte Anteil der Differenz der Ausgangssignale y₁, y₂ der Regler R1, R2 klei ner als die Umschaltschwelle ist. Das Stellglied SG befinde sich in einem linearen Stellbereich, so daß die Ist-Stell größe y_mess gleich der Soll-Stellgröße y_soll und damit auch gleich dem Ausgangssignal y₁ des Reglers R1 ist. Ein- und Ausgangssignal des Modells M1 sind daher Null; auch die Re gelabweichung x_d ist praktisch Null.

Der niederfrequente Anteil des Ausgangssignals y₂ des Reglers R2, das ist der durch das Nutzsignal bedingte Anteil, ist gleich dem Ausgangssignal y₁ des Reglers R1, so daß der da durch bedingte Anteil der Ist-Stellgröße y_mess über die Re gelstrecke RS auf den Eingang des Reglers R2 wirkt. Mit dem Subtrahierer SB5 wird der niederfrequente Anteil des Signals y₂ entfernt. Das Ausgangssignal x_m2 des Modells M2 entspricht daher nur dem höherfrequenten Anteil, der im Subtrahierer SB3 der Regelabweichung x_d überlagert wird, so daß die modifi zierte Regelabweichung x_dm2 eine Größe hat, als ob das Aus gangssignal y₂ des Reglers R2 dem Stellglied SG zugeführt und der Regler R2 aktiv wäre. Der Regler R2 kann daher nicht er kennen, ob er aktiv oder passiv ist.

Tritt in der Regelstrecke RS eine größere rasche Störung auf, auf die der Regler R2 stärker anspricht als der Regler R1, überschreitet der Betrag der Differenz der Reglerausgangssi gnale y₁, y₂ den vorgegebenen Schwellwert, und die Umschalt logik US schaltet das Ausgangssignal y₂ des Reglers R2 als Soll-Stellgröße auf das Stellglied SG. Unter der Vorausset zung, daß im Stellglied SG keine Begrenzung eintritt, sind nun die beiden Eingangssignale des Subtrahierers SB5 gleich; Ein- und Ausgangssignal des Modells M2 sind daher Null. Dage gen gibt der Subtrahierer SB4 die Differenz zwischen der Stellgröße y_mess, die gleich der Ausgangsgröße y₂ des Reglers R2 ist und dem Ausgangssignal y₁ des Reglers R1 auf das Mo dell M1. Dessen Ausgangsgröße x_m1 wird im Subtrahierer SB2 der Regelabweichung x_d überlagert, so daß eine modifizierte Regelabweichung x_dm1 solcher Größe entsteht, als ob der Reg ler R₁ weiterhin aktiv wäre. Durch den Einsatz des Modelles M1 wird daher dem bisher aktiven Regler vorgetäuscht, er könne die Strecke immer noch genauso regeln wie vorher. Die Regler arbeiten daher in gleicher Weise, unabhängig davon, ob sie aktiv oder passiv sind. Es ist kein Eingriff in den ei gentlichen Regelalgorithmus erforderlich. Der jeweils passive Regler kann nicht weglaufen, und das Umschalten geschieht dy namisch richtig. Man könnte daher beliebig zwischen den bei den Reglern hin- und herschalten, ohne daß eine Instabilität auftritt. Die gilt nicht nur in dem beschriebenen Beispiel für Regler mit unterschiedlichem Zeitverhalten, sondern all gemein für solche mit unterschiedlichem Regelverhalten und auch für Regler mit unterschiedlicher Struktur. So kann z. B. der eine Regler ein Zweikreisregler und der andere ein Zu standsregler sein.

Ist die Störung vom Regler R2 ausgeglichen, kann auf den langsamen Regler R₁ zurückgeschaltet werden. Das Ausregeln der Störung stellt die Umschaltlogik US dadurch fest, daß die Differenz der Ausgangssignale y₁, y₂ einen zweiten niedrige ren Schwellwert unterschreitet. Im Falle des Schwellwertes Null kann dies an dem Vorzeichenwechsel der Differenz erkannt werden.

In dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß die Ist-Stellgröße Y_mess erfaßbar ist und den Subtrahierern SB4, SB5 zugeführt werden kann. Statt des sen kann auch die Soll-Stellgröße verwendet werden. Mit der Verwendung der Ist-Stellgröße wird jedoch das Regelverhalten, vor allem im Falle von Stellglied- oder Stellgeschwindig keitsbegrenzungen, verbessert. Der durch die Begrenzung nicht wirksame Anteil der Soll-Stellgröße wird nämlich über die Mo delle M1, M2 den Reglereingängen zugeführt, so daß aus der Sicht der Regler die Soll-Stellgröße voll zur Wirkung kommt und ein Weglaufen der Regler verhindert wird.

In dem Fall, daß die Ist-Stellgröße nicht erfaßt werden kann, ist es daher zweckmäßig, die Soll-Stellgröße y_soll über ein Stellgliedmodell SGM zu führen, mit dem die Begrenzungen des Stellgliedes nachgebildet werden. Dieses Stellgliedmodell braucht nicht dem realen Stellglied SG parallelgeschaltet zu sein, es kann auch zu ihm in Reihe liegen (SGM').

Claims

1. Regeleinrichtung

1. - mit einem ersten Subtrahierer (SB1), der durch Vergleich einer Führungsgröße (w) mit einer Regelgröße (x) eine Re geldifferenz (x_d) ermittelt,
2. - mit einem Stellglied (SG), dem eine Soll-Stellgröße (y_soll) zugeführt ist und das mit einer Ist-Stellgröße (Y_mess) auf eine Regelstrecke (RS) einwirkt,
3. - mit mehreren Reglern (R1, R2) unterschiedlichen Regel verhaltens und
4. - mit einer Umschaltlogik (US) zum Umschalten zwischen den einzelnen Reglern (R1, R2),

dadurch gekennzeichnet,

1. - daß den Reglern (R1, R2) jeweils die Differenz zwischen der Regelabweichung (x_d) und dem Ausgangssignal (x_m) eines zu gehörigen Regelstreckenmodells (M1, M2) zugeführt ist,
2. - daß die Umschaltlogik aus den Ausgangssignalen (y₁, y₂) der Regler (R₁, R2) die Soll-Stellgröße (y_soll) bildet und
3. - daß ein Subtrahierer (SB4, SB5) je Regler (R1, R2) die Soll-Stellgröße (y_soll), die Stellgröße (y_mess) oder eine über ein Stellgliedmodell (SGM) geführte Größe (y'_mess) mit dem Ausgangs signal (y₁, y₂) des zugehörigen Reglers (R1, R2) vergleicht und die Differenz dem zugehörigen Modell (M1, M2) zuführt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltlogik (US) in Abhängigkeit von der Regelabwei chung (x_d) und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Regel abweichung (x_d) und/oder der Reglerausgangssignale (y₁, y₂) und/oder deren Änderungsgeschwindigkeit die Soll-Stellgröße (y_soll) bildet.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umschaltlogik (US) die Soll-Stellgröße (y_soll) durch Linearkombination der Reglerausgangssignale (y₁, y₂) bildet.