DE69029629T2

DE69029629T2 - Steuerungssystem mit Rückführung

Info

Publication number: DE69029629T2
Application number: DE69029629T
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Kurosawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1990-09-12
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2010-09-13
Also published as: CN1025696C; AU619417B2; CA2025338C; DE69029629D1; KR910006808A; CA2025338A1; EP0417774A2; US5111124A; JPH03100801A; EP0417774A3; CN1050271A; AU6249390A; KR940005028B1; EP0417774B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückkopplungssteuersystem, das den Ausgang eines gesteuerten Objektes entsprechend einer variablen Steuergröße steuert.
Bisher wird die Rückkopplungssteuerung zur Steuerung des Ausgangs eines gesteuerten Objektes als Antwort auf jede der variablen Steuergrößen angewendet. Die zur Durchführung der Rückkopplungssteuerung bestimmte Steuerrecheneinheit erfüllt ihre Aufgabe auf eine der folgenden Weisen: eine analoge unter Verwendung eines Operationsverstärkers oder eine digitale Berechnung, für die ein Mikrocomputer oder dgl. verwendet wird. Die Rückkopplungssteuerung mittels analoger Berechnung ist durch fortlaufende Steuerberechnung entsprechend der Größe einer gesteuerten Variablen oder deren zurückzuführendem Signal gekennzeichnet. Aus diesem Grund wird die mit analoger Berechnung verbundene Rückkopplungssteuerung auch als zeitkontinuierliches System bezeichnet. Die Rückkopplungssteuerung mit digitaler Berechnung wird dagegen über eine Steuerberechnung als Antwort auf das in bestimmten Zeitintervallen von den gesteuerten Variablen abgefragte Signal implementiert. Die zuletzt genannte Rückkopplungssteuerung wird deshalb als Abtastregelung bezeichnet.
Ein zeitkontinuierliches System hat den Nachteil, daß die erforderliche Zeit bis zur Stabilisierung des gesteuerten Ausgangs nach dem Auftreten einer Schwankung und/oder Störung einer variablen Steuergröße, d.h. die Einschwingzeit, lang ist. Die obengenannte Steuerung bietet dagegen den Vorteil, daß das Antwortverhalten ungeachtet der parametrischen Schwankungen eines gesteuerten Objektes nahezu keiner Änderung unterliegt.
Bei einer Abtastregelung ist es möglich, die gesteuerte Variable innerhalb einer endlichen Zeit zu stabilisieren. Allerdings erfolgt die obengenannte Steuerung im Zuge einer schrittweisen Änderung einer manipulierten Variablen, was für das betroffene gesteuerte Objekt eine ungünstige Konsequenz hat. Bei Annahme des Falls einer Motorsteuerung erfährt eine Maschine, d.h. die mit dem betreffenden Motor gekoppelte Last, starke Stoßbelastungen, wenn eine manipulierte variable Größe große schrittweise Änderungen erfährt.
Des weiteren erfolgt bei einer Abtastregelung die Steuerberechnung nach dem soeben von einem Sensor abgetasteten Signal. Deshalb wird das Steuerungsverhalten in hohem Maße beeinträchtigt, wenn das von einem Detektor für die Rückkopplung der Steuervariablen kommende Signal zum Zeitpunkt der Signalabtastung mit Störspannungen (externen Störungen) behaftet ist.
Wenn des weiteren der integrale Verstärkungsfaktor Ki, der proportionale Verstärkungsfaktor Kp etc. der Steuerecheneinheit optimal für das gesteuerte Objekt gewählt werden, ist es möglich, die gesteuerte Variable innerhalb einer endlichen Zeit zu stabilisieren. Falls jedoch die korrekte Beziehung zwischen einer gewählten Steuerungsverstärkung und dem betreffenden gesteuerten Objekt aufgrund einer Änderung seitens des gesteuerten Systems verlorengeht, nimmt die Regelbarkeit stark ab, wenn es nicht sogar unmöglich wird, ein Einschwingen innerhalb einer endlichen Zeit zu erzielen.
Zur Lösung des obigen Problems ist es denkbar, das Abtastintervall zu verkürzen, so daß die gesteuerte Variable über eine relativ hohe Anzahl von Abtastvorgängen stabilisiert wird, wodurch ein Steuersystem geschaffen wird, das gegenüber parametrischen Schwankungen des betreffenden gesteuerten Objektes unempfindlich ist. Dies führt jedoch dazu, daß der Aufbau der Steuerrecheneinheit komplex wird, da die Anzahl der in der Steuerrecheneinheit einzustellenden Parameter (Verstärkungsfaktoren) zunimmt. Deshalb ist ein solches System nicht leicht zu verwirklichen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Berücksichtigung der obigen Punkte ein Rückkopplungssteuersystem bereitzustellen, das nicht nur die Stetigkeit eines zeitkontinuierlichen Systems und die Unempfindlichkeit gegenüber parametrischen Schwankungen des Steuersystems, sondern auch die Fähigkeit der endlichen Stabilisierung der Abtastregelung aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein Rückkopplungssteuersystem gemäß Anspruch 1 bereit.
Das Rückkopplungssteuersystem umfaßt ein Verzögerungselement sowie die Integrier- und Proportionalelemente, wie sie bisher verwendet worden sind. Die Verzögerungszeit dieses Verzögerungselements hängt entweder von der Einschwingzeit (d.h. der Zeit, die die Steuervariable braucht, den Änderungen der variablen Steuergröße zu folgen) ab oder von der Zeit, bis zu der die Steuervariable wieder auf den durch die variable Steuergröße vorgegebenen Wert gebracht wird, wenn das gesteuerte Objekt einer externen Störung unterworfen war. Mit anderen Worten: wenn die Steuerrecheneinheit, das gesteuerte Objekt und/oder der Detektor für die Steuervariable eine Berechnungsverzögerungszeit, eine Totzeit und eine Detektionsverzögerungszeit aufweisen, dann wird die Verzögerungszeit des Verzögerungselements so gewählt, daß sie allen der obigen Verzögerungszeiten oder der Summe der obigen Verzögerungszeiten gleich ist.
Das Rückkopplungssteuersystem, bei dem eine Steuerecheneinheit ein Verzögerungselement mit einer Verzögerungszeit aufweist, die gleich ist der Gesamteinschwingzeit, ist damit durch eine weitere Funktion zur Umkehr der Stellantwort gekennzeichnet, die entsprechend einer herkömmlichen Regelung die Tendenz hat, noch länger anzuhalten, als für die bzw. Stabilisierung stellung erforderlich ist, wodurch die Steuerrecheneinheit die Stellantwort mit dem geforderten zeitlichen Ablauf in Einklang bringen kann.
Somit erlaubt die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf ein zeitkontinuierliches System die Verwirklichung einer Stellantwort mit endlicher Stabilisierung, die ein Merkmal der Abtastregelung ist. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Abtastregelung macht nicht nur die Verwirklichung einer stetigen Regelung, sondern auch einer gegen parametrische Schwankungen unempfindlichen Regelung möglich, was ein technisches Merkmal eines zeitkontinuierlichen Systems ist, wobei die Funktion der Stellantwort mit endlicher Stabilisierung stets aufrechterhalten bleibt.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1A ein Blockschaltbild einer Grundkonfiguration des Rückkopplungssteuersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1B ein Blockschaltbild einer anderen Konfiguration des Rückkopplungssteuersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltschema der Systemkonfiguration eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 einen Antwortverlauf des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen anderen Antwortverlauf, wie er bei Auftreten parametrischer Schwankungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung vorliegt;
Fig. 5 ein Schaltschema der Systemkonfiguration eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Antwortverlauf des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 einen anderen Antwortverlauf, wie er bei Auftreten parametrischer Schwankungen des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung vorliegt;
Fig. 8 ein Schaltschema der Systemkonfiguration eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 einen Antwortverlauf des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ein Schaltschema der Systemkonfiguration eines vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 und 12 einen Antwortverlauf des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 ein Schaltschema der Systemkonfiguration eines zeitkontinuierlichen Systems;
Fig. 14 einen Antwortverlauf des Systems gemäß Fig. 13;
Fig. 15 einen Antwortverlauf für den Fall einer parametrischen Schwankung des Systems gemäß Fig. 13;
Fig. 16 ein Schaltschema der Konfiguration einer Abtastregelung;
Fig. 17 ein Schaltschema der Konfiguration der Abtastregelung gemäß Fig. 16;
Fig. 18 einen Antwortverlauf des Systems gemäß Fig. 16; und
Fig. 19 einen Antwortverlauf für den Fall einer parametrischen Schwankung des Systems gemäß Fig. 16.
Vor Beginn der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sei auf ein zeitkontinuierliches System und auf eine Abtastregelung eingegangen.
Fig. 13 zeigt den Fall eines einfachen zeitkontinuierlichen Systems, bei dem ein gesteuertes Objekt 10 mittels eines Integrators 11 verwirklicht ist (1/s: s ist eine Variable der Laplace-Transformation) . In der Praxis wird ein kontinuierliches System in dem Fall verwendet, in dem der Wasserpegel in einem Behälter mit einem einer bereitgestellten manipulierten Variablen ec entsprechenden Wasserdurchsatz geregelt wird, wobei das gesteuerte Objekt der Wasserbehälter ist, oder in einem anderen Fall, bei dem die Drehzahl eines Motors durch einen der bereitgestellten manipulierten Variablen ec entsprechenden Versorgungsstrom geregelt wird, wobei das gesteuerte Objekt der Motor ist.
Im erstgenannten Fall ist eine Störung ed der aus dem Wasserbehälter entnommene Wasserdurchsatz, während im letztgenannten Fall die Störung aus dem auf den Motor wirkenden Belastungsmoment herrührt. Beiden Fällen ist gemeinsam, daß die Störungen additiv zur manipulierten Variablen ec wirken, wobei die Summe von einem Addierer 12 ermittelt wird.
Es wird angenommen, daß eine Steuerrecheneinheit 20 eine Berechnung für eine sog. I-P-Steuerung ausführt, wie sie bisher in der Kombination eines Integrationselements I und eines Proportionalelements P angewendet worden ist. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird auf einen Detektor zur Erfassung einer Steuervariablen verzichtet, was voraussetzt, daß der Verstärkungsfaktor dieses Detektors 1 ist.
Bei der obenerwähnten Berechnung wird eine Differenz Δe zwischen einer gesteuerten variablen Referenz ei und einer gesteuerten Variablen eo, d.h. ein Rückkopplungssignal, von einem Subtrahierer 21 berechnet. Anschließend durchläuft die berechnete Differenz Δe eine integrierende Verstärkung in einem integrierenden Verstärker 22 mit einem integrierenden Verstärkungsfaktor Ki. Des weiteren wird die Differenz zwischen einem Ausgang e22 des integrierenden Verstärkers 22 und einem Signal e23, für das die gesteuerte Variable eo von einem Proportionalverstärker 23 entsprechend dem proportionalen Verstärkungsfaktor Kp vervielfacht wird, von einem Subtrahierer 24 als die manipulierte Variable ec berechnet, wodurch das gesteuerte Objekt 10 entsprechend der manipulierten Variablen ec manipuliert wird.
Unter der Annahme, daß die Transferfunktion aus der gesteuerten Variablen eo zur gesteuerten variablen Referenz ei eine Steuergrößentransferfunktion Gc(s) ist, folgt für deren Berechnung der folgende Ausdruck (1):
dabei
ei(s): Ein Ergebnis der Laplace-Transformation der gesteuerten variablen Referenz;
eo(s): ein Ergebnis der Laplace-Transformation der gesteuerten Variablen.
Unter der Annahme, daß die gesteuerte variable Referenz ei(s) eine Einheitssprungfunktion (1/s) ist, wird die gesteuerte Variable eo(s) gemäß dem nachstehenden Ausdruck (2) berechnet:
Die Berechnung einer zeitabhängigen Antwortfunktion eo(t) mittels der inversen Laplace-Transformation liefert Ausdruck (3) oder (4).
L&supmin;¹: Symbol zur Kennzeichnung der inversen Laplace- Transformation.
Unter der Voraussetzung daß gilt:
Kp² - 4Ki ≥ 0; folgt
Unter der Voraussetzung daß gilt:
Kp² - 4Ki < 0; folgt
Analog zu obigem ergibt sich unter der Annahme, daß die Transferfunktion aus der gesteuerten Variablen eo zur Störung ed eine Störungstransferfunktion Gd(s) ist, für die Berechnung von Gd(s) der nachstehende Ausdruck (5):
dabei
ed(s) : ein Ergebnis der Laplace-Transformation der Störung ed.
Unter der Annahme, daß die Störung ed(s) eine Einheitssprungfunktion (1/s) ist, wird die gesteuerte Variable eo(s) gemäß dem nachstehenden Ausdruck (6) berechnet:
Die Berechnung einer zeitabhängigen Antwortfunktion eo(t) mittels der inversen Laplace-Transformation liefert den nachstehenden Ausdruck (7) oder (8).
dabei
L&supmin;¹: Symbol zur Kennzeichnung der inversen Laplace- Transformation.
Unter der Voraussetzung, daß gilt
Kp² - 4Ki ≥ 0; folgt
Unter der Voraussetzung, daß gilt Kp² - 4ki < 0, folgt:
Wie aus den Ausdrücken (3), (4), (7) und (8) ersichtlich ist, enthält die gesteuerte Variable eo(t) in jedem der obenzitierten Fälle eine negative Exponentialfunktion (&epsi;-xt: x ist ein positiver Koeffizient) der Zeit t. Zur Stabilisierung der gesteuerten Variablen eo entsprechend der gesteuerten variablen Referenz ei nach Änderungen der gesteuerten variablen Referenz ei und der Störung ed ist theoretisch eine unendlich lange Zeit erforderlich. In der Praxis spielt es jedoch keine Rolle, wenn die gesteuerte variable Referenz und die gesteuerte Variable nicht perfekt übereinstimmen. Ermittelt man die Zeit, die erforderlich ist, bis sie etwa gleich sind, zeigt sich, daß diese sehr lang ist.
Fig. 14 zeigt typische Antwortverläufe. Sie gehören zu der gesteuerten Variablen eo(t) und der manipulierten Variablen ec(t), wie sie in dem Fall vorliegen, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt t = 0 s sprungartig von 0 nach 1 wechselt und die Störung ed zum Zeitpunkt t = 5 s von 0 nach -1 wechselt, wobei der proportionale Verstärkungsfaktor Kp und der integrierende Verstärkungsfaktor Ki zu jeweils 3 gewählt sind, so daß die entsprechenden Antwortverläufe nahezu keine Schwingungen aufweisen.
Wie im obigen Fall, benötigt das zeitkontinuierliche System eine längere Stabilisierungszeit. Andererseits jedoch erfährt das Antwortverhalten bei Auftreten einer Parameterschwankung des betroffenen gesteuerten Objekts eine relativ geringe Änderung.
Fig. 15 zeigt die Antwortverläufe für den Fall, in dem der Parameter der inversen Lapalace-Transformation des betroffenenen gesteuerten Objektes, das durch einen Integrator mit dem Verstärkungsfaktor 1 reprasentiert ist, sich um 25% von 1/s zu 1,25/s geändert hat. Die Bedingungen für die Bestimmung der Antwortwellenformen in Fig. 15 sind die gleichen wie bei den typischen Antwortwellenformen in Fig. 14. Fig. 15 zeigt, daß die Wellenformen gegenüber Schwankungen des Parameters unempfindlich sind.
Selbst dann, wenn sowohl die Steuerrecheneinheit 20 als auch das gesteuerte Objekt 10 von denen in Fig. 13 verschieden sind, enthält die Antwort auf die gesteuerte Variable eo eine negative Exponentialfunktion (&epsi;-xt) der Zeit t. Unter diesem Gesichtspunkt kann man davon ausgehen. daß die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für Fig. 13 gelten.
Die Abtastregelung arbeitet in zwei verschiedenen Modi -- in einem finiten Stabilisierungsmodus und einem Tottaktmodus; mit einer Abtastregelung ist es möglich, die Antwort auf die gesteuerte Variable über der Zeit zu verstellen, wobei es sich um ein ganzzahliges Vielfaches der Abtastdauer handelt, wenn eine Änderung des variablen Steuerbefehls und der Störung vorliegt.
Ähnlich wie im Fall des obenbeschriebenen kontinuierlichen Systems zeigt Fig. 16 den Fall einer einfachen Abtastregelung, bei der das betroffenen gesteuerte Objekt ein Integrator (1/s) ist. Z&supmin;¹ kennzeichnet eine Totzeit &epsi;-ST, wobei T die Abtastdauer angibt. Die Steuerrecheneinheit 20 weist Sampler 25 und 26 auf, die die gesteuerte variable Referenz ei und ein abgetastetes Datensignal der gesteuerten Variablen eo erfassen, das auch als Rückkopplungssignal bezeichnet wird, Subtrahierer 21 und 24, einen integrierenden Verstärker 27 zur Berechnung des integrierenden und proportionalen Verhaltens der Abtastdaten, einen Proportionalverstärker 28 und ein Abtasthalteelement 29, das diskontinuierlich die Daten der Abtastauswertung als serielle manipulierte variable Größen an das gesteuerte Objekt 10 ausgibt.
Fig. 17 stellt die Konsequenz einer implementierten Z-Transformation zur Analyse einer Abtastregelung dar. ei(z), eo(z) und ed(z) sind die jeweiligen Ergebnisse der Z-Transformation der gesteuerten variablen Referenz ei, der gesteuerten Variablen eo und der Störung ed. Unter der Annahme einer Impulstransferfunktion aus einer gesteuerten Variablen eo(z) zu einer gesteuerten variablen Referenz ei(z) ergibt sich eine Steuerimpuls-Transferfunktion Gc (z) gemäß nachstehendem Ausdruck (9):
Durch Wahl des Proportionalverstärkungsfaktors Kp und des Imtegrierenden Verstärkungsfaktors Ki gemäß den mit Ausdrücken (10) und (11) gegebenen Beziehungen in der Weise, daß der Nenner von Ausdruck (9) 1 wird, wird die Steuerimpuls- Transferfunktion Gc(z) durch den nachstehenden Ausdruck (12) gegeben:
Dabei bedeutet
T: ein Abtastintervall
Die durch den Ausdruck (12) gegebene Steuerimpuls-Transferfunktion Gc(z) zeigt, daß die gesteuerte Variable eo auf die gesteuerte variable Referenz ei mit einer Verzögerungszeit T gleich dem Abtastintervall antwortet, die als Z&supmin;¹ vorgegeben ist, so daß die Stabilisierung innerhalb eines Abtastintervalls erfolgt.
Wird ebenfalls angenommen, daß die Impulstransferfunktion der gesteuerten Variablen eo(z) zur Störung ed(z) eine Störungsimpuls-Transferfunktion Gd(z) ist, so ergibt sich der nachstehende Ausdruck (13):
Durch Einsetzen der entsprechenden Gleichungen (10) und (11) in den Ausdruck (13) ergibt sich der nachstehende Ausdruck (14):
Gd(z) = TZ&supmin;¹ - TZ&supmin;² ... (14)
Wie aus dem obigen klar ersichtlich ist, wird die Störungsimpuls-Transferfunktion Gd(z) durch Z&supmin;¹ und Z&supmin;² gebildet. Deshalb erfolgt bei Anwendung dieser Störungsimpuls-Transferfunktion innerhalb einer Zeitspanne entsprechend zwei Abtastintervallen eine Stabilisierung. Ändert sich die Störung sprungartig, so wird die durch eine solche Störung verursachte Schwankung der gesteuerten Variablen innerhalb einer Zeitspanne entsprechend zwei Abtastintervallen normalisiert.
Fig. 18 zeigt die Antwortverläufe für den Fall, in dem die Abtastperiode T, der Proportionalverstärkungsfaktor Kp und der integrierende Verstärkungsfaktor Ki auf 0,5 s und 2 bzw. 4 eingestellt sind. Diese Antwortverläufe betreffen jeweils die Verläufe der gesteuerten Variablen eo und der manipulierten Variablen ec für den Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei im Zeitpunkt t = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed zum Zeitpunkt t = 5 s von 0 nach -1 wechselt.
Wie oben beschrieben, ermöglicht die Abtastregelung die Rückstellung bzw. Stabilisierung der gesteuerten Variablen innerhalb einer endlichen Zeit.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Fig. 1A und 1B die Konfiguration des Grundsystems der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei der Systemkonfiguration gemäß Fig. 1A wird die gesteuerte variable Referenz ei an den Subtrahierer (Komparator) 21 geliefert. Der Subtrahierer 21 liefert eine Differenz Δe zwischen der gesteuerten Variablen eo und der gesteuerten variablen Referenz ei über eine Schaltung 240 mit einer Transferfunktion G(s) an einen Addierer 34. Danach liefert der Addierer 34 die Summe eines Ausgangs e24 der Schaltung 240 mit der Transferfunktion G(s) und eines Ausgangs ey eines Verzögerungselementes 31, der die gesteuerte Variable eo mit einer Verzögerung um eine vorgegebene Dauer zur Verfügung stellt, an das gesteuerte Objekt 10. Es ist anzumerken, daß die Störung ed des Rückkopplungssteuersystems auf das gesteuerte Objekt 10 der vorliegenden Erfindung aufgeschaltet wird.
Da der Ausgang der gesteuerten Variablen eo des gesteuerten Objekts 10 negativ an den Addierer 21 rückgekoppelt und anschließend nach der Verzögerung um eine vorgegebene Zeit zu einem Ausgang e24 addiert wird, wird die gesteuerte Variable eo innerhalb einer endlichen Zeit rückgestellt bzw. stabilisiert (dieser endliche Stabilisierungsmechanismus wird später beschrieben)
Das in Fig. 1B dargestellte System ist mit einer zur Konfiguration in Fig. 1A hinzugefügten kurzen negativen Rückkopplungsschleife ausgeführt. Der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 wird nämlich über eine Schaltung mit einer von 1 verschiedenen Transferfunktion H(s) in ein lokales Rückkopplungssignal e32 gewandelt. In einem Subtrahierer (Komparator) 33 wird ein Rückkopplungssignal ex als Differenz zwischen der gesteuerten Variablen eo und dem lokalen Rückkopplungssignal e32 generiert. Danach wird das Rückkopplungssignal ex nicht nur negativ zum Subtrahierer 21 zurückgeführt, sondern nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit auch zum Ausgang e24 addiert.
Wie aus Fig. 1A und 1B ersichtlich ist, handelt es sich bei der Transferfunktion F(s) (= Δe/ec) der Steuerrecheneinheit 20 um einen "echten Bruch", was beeinhaltet, daß der Grad sa eines komplexen Parameters s des Nenners des die Transferfunktion F(s) beschreibenden Ausdrucks gleich oder größer ist als der Grad sb eines komplexen Parameters 5 des Zählers (sa ≥ sb).
Unter der Annahme, daß die Steuerrecheneinheit 20 ein Proportionalelement P und ein Integrationselement I umfaßt, wird beispielsweise die Transferfunktion F(s) der Steuerrecheneinheit 20 zu P + I/s = (Ps + I)/s, wodurch der Grad (erste Ordnung) des komplexen Parameters s des Nenners gleich dem Grad (erste Ordnung) des komplexen Parameters s des Zählers wird. Diese Transferfunktion F(s) sei im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein echter Bruch.
Wird die Transferfunktion F(s) der Steuerrecheneinheit 20 mit (Ps + I)/s² angenommen, wobei der Grad (zweite Ordnung) des komplexen Parameters s des Nenners höher ist als der Grad (erste Ordnung) des komplexen Parameters 5 des Zählers, so wird diese Transferfunktion im Rahmen dieser Beschreibung ebenfalls als eine echter Bruch betrachtet.
Um eine endliche Stabilisierung beim System gemäß Fig. 1A sicherzustellen, sollte die Transferfunktion G(s) der Schaltung 240 ein Element mit einer Tot- oder Verzögerungszeit aufweisen.
Des weiteren kann gemäß der Konfiguration in Fig. 1B eine endliche Stabilisierung selbst dann erreicht werden, wenn der Eingang ei an den Subtrahierer 33 gelegt wird, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 1B gekennzeichnet.
Die vorliegende hierin beschriebene Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerrecheneinheit 20 kein Differenzierelement besitzt, das leicht von Störspannungen beeinträchtigt werden könnte, sondern eine zusätzliche parallele Datenverarbeitungsschaltung, die ein Verzögerungselement 31 zum Verkürzen der Stabilisierungszeit der gesteuerten Variablen eo verwendet.
Das obengenannte Merkmal der Systemkonfiguration wird im folgenden durch die Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.

(Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 2 zeigt das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das auf der Systemkonfiguration gemäß Fig. 1B basiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das gesteuerte Objekt 10 durch einen Integrator verwirklicht, wie auch in dem in Fig. 13 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das gesteuerte Objekt 10 jedoch durch einen Integrator 11 und einen Addierer 12, auf den eine Störung ed aufgeschaltet ist, verwirklicht ist. Die Steuerrecheneinheit 20 enthält Subtrahierer 21 und 24, einen integrierenden Verstärker 22 und einen Proportionalverstärker 23, die sämtlich hinsichtlich ihrer Konfiguration denjenigen von Fig. 13 entsprechen. Das Bezugszeichen 30 kennzeichnet einen Proportionalverstärker, 31 ein Verzögerungselement, 32 einen integrierenden Verstärker, 33 einen Subtrahierer und 34 einen Addierer, wobei es sich bei diesen Elementen um neu zur Konfiguration der Fig. 13 hinzugefügte handelt.
Eine Differenz ex zwischen der vom Detektor zur Erfassung einer Steuervariablen für das gesteuerte Objekt 10 (in der Figur nicht dargestellt) erfaßten gesteuerten Variablen eo und dem Ausgang des integrierenden Verstärkers 32 wird vom Subtrahierer 33 berechnet. Die berechnete Differenz ex wird nicht nur in den Subtrahierer 21, sondern auch in den Proportionalverstärker 23 und das Verzögerungselement 21 eingegeben.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das Verzögerungselement 31 eine Transferfunktion [Kd(1 - &epsi;-STC)], die eine weitere zu einer Verzögerungs-(Tot)-Zeit gehörige Transferfunktion &epsi;-STC beinhaltet. Der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 ist die mit dem Proportionalverstärkungsfaktor Kd multiplizierte Differenz zwischen einem Eingang "1" am Verzögerungselement und einem ebenfalls an das Verzögerungselement mit einer Verzögerungszeit Tc gelegten Eingang (wobei der zuletzt genannte Eingang an anderer Stelle als Eingang &epsi;-STC definiert ist, bei dem es sich um ein um die Zeit Tc zurückliegendes Ereignis handelt). Die Verzögerungszeit Tc wird so gewählt, daß sie gleich ist der zum Stabilisieren der gesteuerten Variablen eo erforderlichen Zeit.
Der Ausgang ey dieses Verzögerungselements wird an den Integrator 32 gelegt, wobei die Steuerrecheneinheit 20 über eine aus dem Verzögerungselement 31 und dem integrierenden Verstärker 32 gebildete Schleife verfügt.
Die gesteuerte variable Referenz ei wird um Ka vervielfacht, einem proportionalen Verstärkerungsfaktor des Proportionalverstärkers. Ein Ausgang e30 des Proportionalverstärkers 30 wird an den Subtrahierer 21 gelegt, in dem die Differenz Δe zwischen dem Ausgang ex des Subtrahierers 33 und dem Ausgang e30 berechnet wird. Außerdem wird die Differenz Δe einer integrierenden Verstärkung durch den integrierenden Verstärker mit dem integrierenden Verstärkungsfaktor Ki unterzogen. Von einem Ausgang e22 dieses integrierenden Verstärkers wird e23, ein dem proportionalen Verstärkungsfaktor Kp entsprechendes Vielfaches des Differenzsignals ex vom Proportionalverstärker, subtrahiert. Des weiteren wird der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 durch den Addierer 34 zum Ergebnis der obigen Subtraktion addiert, wodurch die manipulierte Variable ec berechnet wird. Das gesteuerte Objekt 10 wird entsprechend der soeben berechneten manipulierten Variablen ec angesteuert.
Bei der Berechnung der Steuergrößentransferfunktion Gc(s) führt die Transferfunktion aus der gesteuerten Variablen eo zur gesteuerten variablen Referenz ei zu nachstehendem Ausdruck (15):
Bei der Berechnung der Störungstransferfunktion Gd(s) führt des weiteren die Transferfunktion aus der gesteuerten Variablen eo zur Störung ed zu nachstehendem Ausdruck (16):
Ein Vergleich der Ausdrücke (15) und (16) liefert die nach stehende Beziehung (17):
Das zeitliche Antwortverhalten der gesteuerten Variablen eo auf die gesteuerte variable Referenz ei kann durch Multiplikation mit einem Koeffizienten (KaKi) nach der Integration des Antwortverhaltens der gesteuerten Variablen eo über die Zeit für den Fall berechnet werden, in dem das gesteuerte Objekt der Störung ed nach derselben Funktion unterliegt, die die Steuerrecheneinheit erkennt. Erfolgt also das zeitliche Antwortverhalten auf die Störung nach einer merklichen Zeit Tc, so bleibt das zeitliche Antwortverhalten auf die gesteuerte variable Referenz über die Zeit Tc unverändert, wodurch sowohl das zeitliche Antwortverhalten auf die Störung als auch auf die gesteuerte variable Referenz innerhalb einer endlichen Zeit Tc stabilisiert werden kann.
Unter der Annahme, daß die Störung ed(s) eine Einheitssprungfunktion (1/s) ist, ergibt sich eine gesteuerte Variable eo(s) gemäß dem nachstehenden Ausdruck (18):
Danach wird die zeitabhängige Antwortfunktion eo(t) mittels der inversen Laplace-Transformation berechnet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die inverse Laplace-Transformation den Term &epsi;-STC zu Null macht, sofern die Bedingung 0 ≤ t ≤ Tc erfüllt ist, ergibt sich der Ausdruck (19), während der Ausdruck (20) für die Bedingung t > Tc gilt. Für die Bedingung 0 ≤ t ≤ Tc gilt also:
Für die Bedingung t > Tc gilt dagegen:
wobei gilt:
Durch Einstellen der Parameter Kp, Kd, Ki und Tc in der Weise, daß sowohl der Koeffizient α von sinωt in der Klammer auf der rechten Seite des Ausdrucks (20) für die zeitabhängige Antwortfunktion eo(t) und der Koeffizient β von cosωt Null werden, bleibt die zeitabhängige Antwortfunktion eo(t) stets Null, wenn die Bedingung t > Tc erfült ist. Bei einer sprungartigen Änderung der Störung ed weist nämlich die gesteuerte Variable eo bis zum Zeitpunkt Tc die durch Ausdruck (19), der die Störung berücksichtigt, gegebene zeitabhängige Antwortfunktion eo(t) auf. Nach dem Zeitpunkt Tc wird jedoch die zeitabhängige Antwortfunktion auf die Störung Null, d.h. das zeitliche Antwortverhalten kann innerhalb einer endlichen Zeit gleich der Verzögerungszeit Tc des Verzögerungselements 31 stabilisiert werden.
Außerdem ändert sich das zeitliche Antwortverhalten der gesteuerten Variablen eo in dem Fall, in dem sich die gesteuerte variable Referenz ei nach der Einheitssprungfunktion ändert über die Zeit Tc entsprechend der Beziehung nach Ausdruck (17) und bleibt danach (nach Ablauf der Zeit Tc) bei festgehaltender Zeit Tc unverändert, so daß das zeitliche Antwortverhalten der gesteuerten Variablen eo innerhalb einer endlichen Zeit stabilisiert werden kann.
Die Berechnung des Wertes, auf dem sich die gesteuerte Variable eo stabilisiert, wenn die gesteuerte variable Referenz ei zusammen mit der Einheitssprungfunktion (1/s) aus der Steuergrößen-Transferfunktion Gc(s) gemäß Ausdruck (15) aufgeschaltet wird, folgt nach dem Endwertsatz der nachstehende Ausdruck (21):
Durch Einstellen von Ka in der Weise, daß Gleichung (22) erfüllt wird, ist es möglich, eine Regelung zu verwirklichen, in der die gesteuerte variable Referenz und die gesteuerte Variable einander gleich sind.
Ka = (1+ KdTc)-1 ...(22)
Der Einstellbereich für den Proportionalverstärkungsfaktor Kp, den integrierenden Verstärkungsfaktor Ki, die Verzögerungszeit Tc und den Verstärkungsfaktor Kd des Verzögerungselements, um den Koeffizienten α von sinωt und den Koeffizienten β von cosωt in der Klammer auf der rechten Seite des Ausdrucks (20) auf Null zu bringen, ist nicht begrenzt. Im folgenden wird ein Fall beschrieben, für den die entsprechenden Werte, auf die Kd, Ki und Ka einstellbar sind, angegeben werden, wobei die zur Stabilisierung der gesteuerten Variablen gewünschte Zeit mit 1 s, die Verzögerungszeit Tc ebenfalls mit 1 s und der Proportionalverstärkungsfaktor Kp mit 2 als identisch mit dem Proportionalverstärkungsfaktor der in Fig. 18 dargestellten Abtastregelung angenommen werden.
Unter der Annahme, daß Tc = 1 s und Kp = 2, gilt:
Kd = 1,820025154
Ki = 24,8037447
Ka = (1 + KdTc)&supmin;¹ = 0,354606766
Fig. 3 zeigt den Antwortverlauf einer Variablen mit den obigen Verstärkungsfaktoren des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieser Antwortverlauf gilt für eine gesteuerte Variable eo(t) und eine manipulierte Variable ec(t) in dem Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt t = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed gleichermaßen zum Zeitpunkt t = 5 s von 0 nach -1 wechselt, wobei die Zeit für die Stabilisierung der gesteuerten Variablen mit 1 s gleich der Verzögerungszeit Tc für die entsprechenden Änderungen der gesteuerten variablen Referenz ei und der Störung ed gewählt ist.
Fig. 4 zeigt den Antwortverlauf für den Fall, in dem sich der Parameter der inversen Laplace-Transformation des gesteuerten Objekts - einem Integrator mit dem Verstärkungsfaktor Eins - um 25% von 1/s zu 1,25/s geändert hat. Die Bedingungen für die Bestimmung des Antwortverlaufs von Fig. 4 entsprechend denjenigen für die Bestimmung des Antwortverlaufs von Fig. 3. Verglichen mit der Änderung des Antwortverhaltens zwischen Fig. 18 und Fig. 19 im Fall der endlichen Stabilisierung bei einer Abtastregelung ist die Verschlechterung, die das erste Ausführungsbeispiel pf der vorliegenden Erfindung hinsichtlich des Antwortverhaltens erfährt, dank der Unempfindlichkeit und Gleichförmigkeit eines zeitkontinuierlichen Systems gegenüber Parameterschwankungen weniger stark ausgeprägt.
Wie oben beschrieben, gestattet das zeitkontinuierliche System gemäß der vorliegenden Erfindung die Stabilisierung des Antwortverhaltens entsprechend einer gesteuerten variablen Referenz ei und auf eine Störung innerhalb einer endlichen Zeit. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht deshalb die Verwirklichung einer Regelung, die durch Gleichförmigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen des Steuersystems, wie sie bei zeitkontinuierlichen Systemen auftreten, sowie die Fähigkeit der Stabilisierung der gesteuerten Variablen innerhalb einer endlichen Zeit, wie sie in einer Abtastregelung vorliegt, gekennzeichnet ist.

(Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 5 zeigt die Systemkonfiguration des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das erste in Fig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel betrifft ein zeitkontinuierliches System, während das das zweite in Fig. 5 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel eine weitere Abtastregelung betrifft.
Das gesteuerte Objekt 10 hat bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Systemkonfiguration, die einen Integrator 11 und einen Addierer 12 aufweist, und bei der eine Störung ed auf den Integrator aufgeschaltet ist. Die Steuerrecheneinheit 20 enthält Sampler 25 und 26, um die abgetasteten Datensignale der gesteuerten variablen Referenz ei für die Abtastregelung und der gesteuerten Variablen eo bereitzustellen, ein Rückkopplungssignal, Subtrahierer 21 und 24, einen Integrator 27, einen Proportionalverstärker 28 und das Abtasthalteelement 29. Die Systemkonfiguration des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels entspricht derjenigen von Fig. 16, die das Beispiel einer Abtastregelung darstellt. Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist einen Proportionalverstärker 35, ein Verzögerungselement 36, einen integrierenden Verstärker 37, einen Subtrahierer 38 und einen neu hinzugekommenen Addierer 39 auf.
Eine Differenz ex zwischen einem Abtastwert e26 der vom Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen (in der Figur nicht dargestellt) erfaßten gesteuerten Variablen eo und einem Ausgang e37 des integrierenden Verstärkers 37 wird vom Subtrahierer 38 berechnet. Die berechnete Differenz ex wird nicht nur in den Subtrahierer 21, sondern auch in den Proportionalverstärker 28 und das Verzögerungselement 36 eingegeben. Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das Verzögerungselement 36 eine Transferfunktion [Kd(1 - Z-n)], die eine Impulstransferfunktion Z-n, beinhaltet, welche einer Verzögerungszeit-(Totzeit)-Komponente entspricht, die das n-fache (n: ganzzahlig) eines Abtastintervalls T ist. Ein Ausgang ey des Verzögerungselements 36 ist die mit dem Proportionalverstärkungsfaktor Kd multiplizierte Differenz zwischen dem dem Ausgang ey entsprechenden Eingang und dem um die Verzögerungszeit nT verzögerten Eingang. Die Verzögerungszeit nT wird so gewählt, daß sie gleich ist der zum Stabilisieren der gesteuerten Variablen erforderlichen Zeit.
Der Ausgang ey des Verzögerungselements 36 wird über den integrierenden Verstärker 37 und den Subtrahierer 38 negativ auf den Eingang rückgekoppelt, wobei die Steuerrecheneinheit 20 über eine aus dem Verzögerungselement 36 und dem integrierenden Verstärker 37 gebildete Schleife verfügt.
Die gesteuerte variable Referenz ei wird um Ka vervielfacht, dem proportionalen Verstärkerungsfaktor des Proportionalverstärkers 35. Ein Ausgang e35 des Proportionalverstärkers 35 wird an den Subtrahierer 21 gelegt, in dem die Differenz Δe zwischen dem Ausgang e35 und dem Ausgang ex des Subtrahierers 38 berechnet wird. Außerdem wird die berechnete Differenz Δe einer integrierenden Verstärkung durch den integrierenden Verstärker 37 mit dem integrierenden Verstärkungsfaktor Ki unterzogen. Von einem Ausgang e27 dieses integrierenden Verstärkers wird e28, ein dem proportionalen Verstärkungsfaktor Kp entsprechendes Vielfaches des Differenzsignals ex vom Proportionalverstärker 28, durch den Subtrahierer subtrahiert. Ein Ausgang e24, der sich aus der obigen Subtraktion ergibt, wird durch den Addierer 39 zum Ausgang ey des Verzögerungselements 36 addiert. Der Ausgang e39 dieser Addition wird an das Abtasthalteelement gelegt, das diskontinuierlich die Daten der Abtastauswertung als serielle manipulierte variable Größen als manipulierte Variable ec ausgibt. Das gesteuerte Objekt 10 wird entsprechend dieser manipulierten Variablen ec angesteuert.
Die obige Systemkonfiguration stellt eine Alternative zum ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar und ermöglicht gleichermaßen die Einstellung des Proportionalverstärkungsfaktors Kp, des integrierenden Verstärkungsfaktors Ki, der Verzögerungszeit nT und des Verstärkungsfaktors Kd des Verzögerungselements, um eine endliche Stabilisierung der Antwort zu verwirklichen. Im folgenden wird ein Fall beschrieben, der die einzelenen Einstellungen des Verstärkungsfaktors Kd, des integrierenden Verstärkungsfaktors Ki und eines weiteren Parameters Ka nennt, wobei das Abtastintervall T mit 0,1 5, n mit 10 und der Proportionalverstärkungsfaktor Kp mit 2, identisch mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel angenommen werden, so daß die Verzögerungszeit nT, d.h. die Dauer, innerhalb der die Stabilisierung erfolgen soll, 1 s beträgt. Unter der Annahme, daß T = 0,1 s, n = 10 und Kp = 2, gilt:
Kd = 1,304976237
Ki = 19,28352216
Ka = (1 + Kd nT)&supmin;¹ = 0,4338439521
Fig. 6 zeigt den Antwortverlauf des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dem die Parameter Kd, Ki und Ka wie oben angegeben gewählt sind. Dieser Antwortverlauf gilt für die gesteuerte Variable eo(t) und die manipulierte Variable ec(t) in dem Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt t = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed gleichermaßen zum Zeitpunkt t = 5 s von 0 nach -1 wechselt. In diesem Fall erfolgt die Stabilisierung bei einer Änderung der gesteuerten Referenz ei innerhalb eines Zeitraums von 0,9 s, gleich der Summe von 9 Abtastintervallen von jeweils ((n - 1)T), und für eine bestimmte Änderung der Störung ed wird die endliche Stabilisierung innerhalb einer Zeit von 1 s, gleich der Summe von 10 Abtastintervallen von jeweils (nT) verwirklicht.
Fig. 7 zeigt den Antwortverlauf für den Fall, in dem das gesteuerte Objekt - ein Integrator mit dem Verstärkungsfaktor Eins - den Parameter der inversen Laplace-Transformation um 25% von 1/s zu 1,25/s geändert hat. Die Bedingungen für die Bestimmung des Antwortverlaufs von Fig. 7 entsprechen denjenigen für die Bestimmung des Antwortverlaufs von Fig. 6. Bei Vergleich dieser Antwortverläufe zeigt sich ein mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel nahezu identisches Verhalten.
Wie oben beschrieben, ist es mit dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, eine Steuerung zu verwirklichen, die durch ihre Gleichförmigkeit und die Unempfindlichkeit eines zeitkontinuierlichen Systems gegenüber Parameterschwankungen gekennzeichnet ist, wobei die Stabilisierung des Antwortverhaltens bezüglich einer bestimmten Änderung der gesteuerten variablen Referenz und der Störung innerhalb einer endlichen Zeit erfolgt.

(Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 8 zeigt die Systemkonfiguration des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das gesteuerte Objekt 10 des ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels hat eine solche Konfiguration, daß dessen System nur den Integrator 11 aufweist, während das gesteuerte Objekt 10 im dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Verzögerungselement 13 erster Ordnung und den Integrator 11 aufweist. Das gesteuerte Objekt 10 des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels entspricht einer kurzen Schleife für den Motorstrom zur Regelung der Motordrehzahl, wobei die Motorstromregelung mit der Verzögerung erster Ordnung auf die manipulierte Variablen erfolgt. Das Bezugszeichen 10 kenn zeichnet das gesteuerte Objekt, das einen Integrator 11, einen Addierer 12, auf den die Störung ed aufgeschaltet ist, und das Verzögerungselement 13 erster Ordnung aufweist. Die Grenz-Winkelgeschwindigkeit ist ωcc.
Die Steuerrecheneinheit 20 enthält Subtrahierer 21, 24 und 33, einen Addierer 34, integrierende Verstärker 22 und 32, Proportionalverstärker und das Verzögerungselement 31. Die Systemkonfiguration entspricht derjenigen des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels Das Bezugszeichen 40 kennzeichnet einen Proportionalverstärker, 41 einen Addierer und 42 ein Verzögerungselement erster Ordnung, die sämtlich zur Konfiguration des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels neu hinzugekommen sind, um das dritte bevorzugte Ausführungsbeispiel zu bilden.
Die Differenz zwischen der von einem Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen (in der Figur nicht dargestellt) erfaßten gesteuerten Variablen eo und einem Ausgang e32 des integrierenden Verstärkers 32 wird vom Subtrahierer 33 berechnet. Die Differenz ex wird nicht nur in den Subtrahierer 21, sondern auch in den Proportionalverstärker 23 und das Verzögerungselement 31 eingegeben.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das Verzz"gerungselement 31 eine zu einer Verzögerungs-(Tot)-Zeit gehörige Transferfunktion &epsi;-STC beinhaltende Transferfunktion [Kd(1 - &epsi;STC)]. Der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 ist die mit dem Proportionalverstärkungsfaktor Kd multiplizierte Differenz zwischen einem Eingang entsprechend dem Ausgang ey und einem anderen um die Verzögerungszeit Tc verzögerten Eingang. Die Verzögerungszeit Tc wird so gewählt, daß sie gleich ist der zum Stabilisieren der gesteuerten Variablen des Systems erforderlichen Zeit.
Der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 wird über ein Verzögerungselement erster Ordnung 42 mit einer bestmöglichen Annäherung an die Einstellung des Verzögerungselements 13 erster Ordnung in dem gesteuerten Objekt 10 an den integrierenden Verstärker 32 gelegt. Die Steuerrecheneinheit 20 verfügt über eine aus dem Verzögerungselement, dem Verzögerungselement erster Ordnung 42 und dem integrierenden Verstärker 32 gebildete Schleife.
Die gesteuerte variable Referenz ei wird um Ka vervielfacht, einem proportionalen Verstärkerungsfaktor des Proportionalverstärkers. Der Ausgang e30 des Proportionalverstärkers 30 wird an den Subtrahierer 21 gelegt, in dem die Differenz Δe zwischen dem Ausgang e30 und dem Ausgang ex des Subtrahierers 33 berechnet wird. Außerdem wird die Differenz Δe einer integrierenden Verstärkung durch den integrierenden Verstärker 22 mit dem integrierenden Verstärkungsfaktor Ki unterzogen.
Der Ausgang e30 des Proportionalverstärkers 30 wird außerdem an den Proportionalverstärker 40 gelegt, in dem der Ausgang mit Kb, einem proportionalen Verstärkungsfaktor, multipliziert wird. Der Ausgang e22 des integrierenden Verstärkers 22 und der Ausgang e40 des Proportionalverstärkers 40 werden durch den Addierer 41 addiert. Von diesem Summensignal des Addierers 41 wird ein mit dem Proportionalverstärkungsfaktor Kp multipliziertes Signal e23, das der Proportionalverstärker 23 aus dem Differenzsignal ex bildet, durch den Subtrahierer 24 subtrahiert. Des weiteren wird der Ausgang ey des Verzögerungselements 31 vom Addierer 34 zum Ausgang e24 des Subtrahierers 24 addiert, wodurch die manipulierte Variable ec berechnet wird. Das gesteuerte Objekt 10 wird entsprechend der soeben berechneten manipulierten Variablen ec angesteuert.
Obwohl hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird, ist klar, daß bei der obigen Systemkonfiguration, bei der das gesteuerte Objekt 10 durch das Verzögerungselement 13 erster Ordnung und den Integrator 11 gebildet wird, eine endliche Stabilisierung in ähnlicher Weise möglich ist wie in dem Fall, in dem das gesteuerte Objekt 10 nur durch einen Integrator repräsentiert wird.
Fig. 9 zeigt den Antwortverlauf des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dieser Antwortverlauf ergibt sich dann, wenn die Grenz-Winkelgeschwindigkeit ωcc* des Verzögerungselements 42 erster Ordnung der Steuerrecheneinheit 20 gleich ωcc eingestellt ist, wobei die Grenz-Winkelgeschwindigkeit ωcc des Verzögerungselements erster Ordnung des gesteuerten Objekts 10 auf 10 rad/s eingestellt ist. Des weiteren gilt der Antwortverlauf in Fig. 9 für die gesteuerte Variable eo(t) und die manipulierte Variable ec(t) in dem Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt t = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed gleichermaßen von 0 nach -1 wechselt. Der Antwortverlauf zeigt, daß die endliche Stabilisierung innerhalb eines Zeitraums von 1 s entsprechend der Verzögerungszeit Tc bei den jeweiligen Äniderungen der gesteuerten variablen Referenz ei und der Störung ed abgeschlossen ist.
Ebenso wie das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann das dritte bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 für die Anwendung in einer Abtastregelung modifiziert werden.

(Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 10 zeigt die Systemkonfiguration des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dem ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist gemeinsam, daß jedes gesteuerte Objekt 10 von einer solchen Konfiguration ist, daß das gesteuerte Objekt nur durch den Integrator 11 repräsentiert wird, während das gesteuerte Objekt 10 im vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Totzeitelement 14 und den damit in Reihe geschalteten Integrator 11 aufweist. Das gesteuerte Objekt 10 entspricht einem Wasserbehälter, dessen Wasserpegel geregelt wird, bei dem ein Durchsatzregelventil hinsichtlich seines Ansprechens auf Änderungen der gesteuerten Variablen eine gewissen Totzeit hat.
Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet das gesteuerte Objekt, das einen Integrator 11, einen Addierer 12, auf den die Störung ed aufgeschaltet ist, und das Totzeitelement 13 aufweist. Die Totzeit des Totzeitelements 14 beträgt Td.
Die Steuerrecheneinheit 20 enthält Subtrahierer 21, 24 und 33, einen Addierer 34, integrierende Verstärker 22 und 23, Proportionalverstärker 23 und 30 und das Verzögerungselement 31. Diese Systemkonfiguration entspricht derjenigen des ersten in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei die Verzögerungszeit des Verzögerungselements 31 verschieden von derjenigen seines Pendants des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels vorausgesetzt wird. Das Bezugszeichen 43 kennzeichnet einen integrierenden Verstärker, 44 einen Proportionalverstärker, 45 einen Addierer, 46 und 47 Verzögerungselemente und 48 einen Addierer, die sämtlich zur Konfiguration des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels neu hinzugekommen sind.
Die Differenz ex zwischen der von einem Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen (in der Figur nicht dargestellt) erfaßten gesteuerten Variablen und einem Ausgang e32 des integrierenden Verstärkers 32 wird vom Subtrahierer 33 berechnet. Die berechnete Differenz ex wird nicht nur in den Subtrahierer 21, sondern auch in den Proportionalverstärker 23 und die Verzögerungselemente 31 und 46 eingegeben.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das Verzögerungselement 31 eine zu einer Verzögerungszeit (Totzeit) gehrige Transferfunktion &epsi;-STd* beinhaltende Transferfunktion (1 - &epsi;-STd*), deren Einstellung der Verzögerungszeit Td des gesteuerten Objekts 10 bestmöglich angenähert ist. Der Ausgang e31 des Verzögerungselements 31 ist die Differenz zwischen dem angelegten Eingang und einem anderen um die Verzögerungszeit Td verzögerten ebenfalls daran angelegten Eingang.
Der Ausgang e31 des Verzögerungselements 31 wird durch den integrierenden Verstärker 43 mit dem gleichen integrierenden Verstärkungsfaktor Ki wie der des integrierenden Verstärkers 22 integriert und anschließend proportional mit Kp verstärkt, dem gleichen Verstärkungsfaktor wie der des Proportionalverstärkers. Der Ausgang e43 des integrierenden Verstärkers 43 und der Ausgang e44 des Proportionalverstärkers 44 werden vom Addierer 45 addiert, wodurch ein Summensignal ez generiert wird.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird die Transferfunktion [Kc &epsi;-S(Tc-Td*)] mit einer zu einer Verzögerungs-(Tot)-Zeit gehörigen Transferfunktion &epsi;-S(Tc-Td*) beibehalten. Der Ausgang ey des Verzögerungselements 46 ist das mit dem negativen Proportionalverstärkungsfaktor -Kc multiplizierte Differenzsignal ex, das an das Verzögerungselement 46 gelegt und um Tc - Td* verzögert wird. Die Zeit Tc wird so gewählt, daß sich die gesteuerte Variable des betreffenden gesteuerten Objekts innerhalb dieser Zeit stabilisiert.
Der Ausgang ey des Verzögerungselements 46 wird außerdem an das Verzögerungselement 47 gelegt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das Verzögerungselement 47 eine Transferfunktion &epsi;-STd* für die Verzögerungs-(Tot)-Zeit, wobei der Ausgang ey des Verzögerungselements 46 um Td* verzögert wird. Die Summierung der Ausgänge der Verzögerungselemente 46 bzw. 47 liefert einen Ausgang e47, der sich proportional zur Größe des um die Verzögerungszeit Tc verzögerten Signals ex verhält.
Die Summe e48 aus dem Summensignal ez und dem Ausgang e47 wird durch den Addierer 48 berechnet und danach an den integrierenden Verstärker 32 gelegt. Die Steuerrecheneinheit 20 verfügt über eine aus dem Verzögerungselement 31, dem integrierenden Verstärker, dem Proportionalverstärker, den Verzögerungselementen 46 und 47 und dem integrierenden Verstärker 32 gebildete Schleife.
Die gesteuerte variable Referenz ei wird um Ka vervielfacht, einem proportionalen Verstärkerungsfaktor des Proportionalverstärkers 30. Der Ausgang e30 des Proportionalverstärkers 30 wird an den Subtrahierer 21 gelegt, in dem die Differenz Δe zwischen dem Ausgang e30 und dem Ausgang ex des Subtrahierers 33 berechnet wird. Die berechnete Differenz Δe wird danach einer integrierenden Verstärkung durch den integrierenden Verstärker 22 unterzogen. Vom Ausggng e22 wird der Ausgang e23, ein um den Proportionalverstärkungsfaktor Kp multipliziertes Differenzsignal ex, das vom Proportionalverstärker 23 geliefert wird, durch den Subtrahierer 24 subtrahiert. Das Ergebnis e24 dieser Subtraktion und der Ausgang ey des Verzögerungselements 46 werden vom Addierer 34 addiert, wodurch die manipulierte Variable ec berechnet wird. Das gesteuerte Objekt 10 wird entsprechend der soeben berechneten manipulierten Variablen ec angesteuert.
Bei der obigen Systemkonfiguration ist eine endliche Stabilisierung selbst dann möglich, wenn das gesteuerte Objekt ein Totzeitelement enthält. Fig. 11 zeigt die Antwortverläufe des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels Genauer gesagt, werden diese erhalten, wenn die Totzeit Td des Totzeitelements 42 des gesteuerten Objekts auf 0,1 s eingestellt ist, wobei die Totzeit Td* der jeweiligen Totzeitelemente 31, 46 und 47 in der Steuerrecheneinheit 20 gleich Td eingestellt sind. Der Antwortverlauf gilt nämlich für die gesteuerte Variable eo(t) und die manipulierte Variable ec(t) in dem Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt T = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed zum Zeitpunkt T = 5 s gleichermaßen von 0 nach -1 wechselt. Der Antwortverlauf zeigt außerdem, daß bei einer Änderung der gesteuerten variablen Referenz ei die gesteuerte Variable eo innerhalb eines Zeitraums von 1,2 s entsprechend Tc + Td stabilisiert wird, während die gesteuerte Variable eo bei einer bestimmten Änderung der Störung ed innerhalb eines Zeitraums von 1 s gleich der Verzögerungszeit Tc stabilisiert wird.
Beim vierten in Fig. 10 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das gesteuerte Objekt eine gewisse Totzeit. Selbst dann, wenn die Steuerrecheneinheit 20 eine gewisse rechenbedingte Verzögerungszeit aufweist und/oder wenn der Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen (nicht dargestellt) die Erfassung mit einer gewissen Verzögerungszeit vornimmt, gestattet die Einstellung von Td* im Totzeitelement der Steuerrecheneinheit 20 auf den bestmöglich an die Summe der obigen Totzeit und der entsprechenden Verzögerungszeiten angenäherten Wert die endliche Stabilisierung analog dem ersten bis einschließlich dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Des weiteren ist aus Fig. 10 ersichtlich, daß selbst dann, wenn das Totzeitelement 14 des gesteuerten Objekts 10 als eine rechnerische Verzögerungszeit der Steuerrecheneinheit 20 betrachtet wird, diese rechnerische Verzögerungszeit in Bezug auf das gesamte Steuersystem vernachlässigbar ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist klar, daß eine vergleichbare endliche Stabilisierungszeit ungeachtet der Totzeit des gesteuerten Objekts 10 verwirklicht werden kann.
Für den Fall, daß der Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen (nicht dargestellt) eine Verzögerungszeit bei der Erfassung aufweist, sieht die Konfiguration des Steuersystems vor, daß das Totzeitelement 14 des gesteuerten Objekts 10 zwischen die Ausgänge des Integrators 11 und des Integrators 33 der Steuerrecheneinheit 20 verlegt ist. Dieses Steuersystem kann grundsätzlich als identisch zu demjenigen von Fig. 10 betrachtet werden. Deshalb ist bei einem Steuersystem, bei dem der Detektor zur Erfassung der gesteuerten Variablen eine gewisse Verzögerungszeit aufweist, eine vergleichbare endliche Stabilisierungszeit möglich.
Fig. 12 zeigt die Antwortverläufe, die sich für das Ausführungsbeispiel ergeben, bei dem die gleiche Steuerrecheneinheit wie im vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird, wobei die Detektionsverzögerungszeit Td des Detektors zur Erfassung der gesteuerten Variablen (nicht dargestellt) auf 0,1 s eingestellt ist, und wobei das gesteuerte Objekt 10 so konf iguriert ist, daß es nur durch den Integrator 11 repräsentiert ist. Diese Antwortverläufe gelten für die gesteuerte Variable eo(t) und die manipulierte Variable ec(t) in dem Fall, in dem die gesteuerte variable Referenz ei zum Zeitpunkt T = 0 s sprungartig von 0 nach 1 und die Störung ed gleichermaßen von 0 nach -1 wechselt. Auch in diesem Fall stabilisiert sich bei Änderungen der gesteuerten variablen Referenz ei und der Störung ed jedes eo(t) der entsprechenden gesteuerten Variablen innerhalb eines Zeitraums von 1 s gleich Tc. Die Antwortverläufe von Fig. 12 unterscheiden sich von denjenigen in Fig. 11 darin, daß bei den zuerst genannten die Antwort auf jede gesteuerte variable Referenz im Vergleich zu den zuletzt genannten um 0,1 s schneller erfolgt.
Das heißt, daß auch bei gleichzeitigem Vorliegen einer rechnerischen Verzögerungszeit, einer Totzeit des gesteuerten Objekts und einer Detektionsverzögerungszeit des Detektors zur Erfassung der gesteuerten Variablen die Einstellung der Verzögerungszeit Tc und der Totzeit Td*, wobei die gewünschte Zeit für die vollständige Stabilisierung, die rechnerische Verzögerungszeit sowie die Detektionsverzögerungszeit summiert werden, die Verwendung ein und derselben Steuerrecheneinheit 20 möglicht macht. Darüber hinaus kann das vierte bevorzugte Ausführungsbeispiel ähnlich wie das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel auf eine Abtastregelung angewendet werden.
Es sei angemerkt, daß alle obengenannten Proportionalverstärker, integrierenden Verstärker, Verzögerungselemente erster Ordnung, Addierer, Subtrahierer etc. ohne weiteres durch einen Operationsverstärker, einen Mikrocomputer oder ähnliche Einrichtungen, wie sie bisher in Zusammenhang mit Rückkopplungssteuersystemen verwendet werden, verwirklicht werden können. Anstelle des obengenannten Verzögerungselements kann ein Koaxialkabel, das eine verzögerte elektrische Fortpflanzungscharakteristik aufweist, verwendet werden, sofern es sich um ein zeitkontinuierliches System handelt. Andererseits kann das Verzögerungselement bei einer Abtastregelung auch auf andere Weise durch Verwendung eines Schieberegisters oder eines Speichers verwirklicht werden.
Die vorliegende Beschreibung hat bisher einige bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert. Bei verschiedenen anderen gesteuerten Objekten gestattet die vorliegende Erfindung ähnliche Steuerungen mit endlicher Stabilisierungszeit, und für ein jeweils gleiches gesteuertes Objekt kann die vorliegende Erfindung die endliche Stabilisierung auch bei verschiedenen Systemkonfigurationen verwirklichen, die sich von den obigen Ausführungsbeispielen unterscheiden.
Wie oben beschrieben, gestattet die vorliegende Erfindung, bei der einer Steuerrecheneinheit des Rückkopplungssteuersystems ein Verzögerungselement als eine Systemkomponente hinzugefügt wird, die vor allem zur Vorgabe der gewünschten Stabilisierungszeit dient, eine endliche Stabilisierung, deren Verwirklichung bisher nur in einer Abtastregelung für machbar gehalten wurde, ebenso in einem zeitkontinuierlichen System. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es theoretisch möglich, eine erforderliche Zeit von unendlich zur Stabilisierung endlich zu machen, in einem praktischen Sinn also eine erhebliche Verkürzung einer endlichen Stabilisierungszeit zu erzielen.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Abtastregelung gestattet die Verwirklichung der Stabilisierung innerhalb einer bestimmten Zeitdauer entsprechend einer beliebigen Vielzahl von Abtastintervallen sowie außerdem, eine unempfindliche Steuerung zu schaffen, die nicht nur durch Gleichförmigkeit - ein Merkmal zeitkontinuierlicher Systeme - gekennzeichnet ist, die selbst bei endlicher Stabilisierung sichergestellt ist, sondern auch dadurch, daß sie durch nachteilige Einflüsse aufgrund von Störspannungen und Parameterschwankungen kaum beeinträchtigt wird. Damit ist die vorliegende Erfindung für eine breite Vielfalt von Steuerungen mit Rückkopplungsfunktion anwendbar, für die mit einem großen Einsatzspektrum zu rechnen ist.
In der nachstehend aufgeführten Fachliteratur finden sich die Grundlagen der vorliegenden Erfindung:
Otto J.M. Smith: "Feedback Control Systems", McGraw-Hill Book co., Inc., 1958, S. 341 - 345.
Die obige Veröffentlichung bildet in ihrer Gesamtheit Bestandteil dieser Beschreibung.
Fig. 10 - 29(e) auf Seite 342 der obigen Veröffentlichung zeigt eine Systemkonfiguration ähnlich derjenigen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Obwohl die Systemkonfiguration der vorliegenden Erfindung Älinlichkeiten mit derjenigen der zitierten Veröffentlichung aufweist, unterscheidet sie sich von dieser.
Im einzelnen bedeutet dies, daß der Block P in Fig. 10 - 29(e) der Veröffentlichung dem Zeitelement 31 dieser Erfindung entspricht. Dieser Block enthält jedoch ein Differenzierelement, wodurch er nachteiligen Einflüssen durch Störspannungen unterliegt und nahezu keine praktische Brauchbarkeit hat.
Des weiteren benötigt die Systemkonfiguration der obigen Veröffentlichung die entsprechenden inversen Transferfunktionen (1/G1, 1/G2 und 1/F) für die Transferfunktionen G1, G2 und F, während die Steuerrecheneinheit 20 in jedem der bevorzugten ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung keine derartigen inversen Transferfunktionen benötigt.

Claims

1. Rückkopplungssteuersystem, das ein gesteuertes Objekt (10) gemäß einer manipulierten Variablen (ec) aufgrund einer gesteuerten variablen Referenz (ei) betreibt, mit:

einer Einrichtung (100) zum Erfassen einer gesteuerten Variablen (eo), die von dem gesteuerten Objekt (10) ausgegeben ist, und

einer Einrichtung (20) zum Steuern der gesteuerten Variablen (eo) gemäß der manipulierten Variablen (ec) aufgrund einer Differenz (Δe) zwischen einer Signalfunktion der gesteuerten variablen Referenz (ei) und einem Signal (ex), das Funktion der erfaßten gesteuerten Variablen (eo) ist, derart, daß sich die gesteuerte Variable (eo) der gesteuerten variablen Referenz (ei) annähert, wobei die Steuereinrichtung (20), die eine Kombiniereinrichtung (34) und eine Transferfunktionsschaltung (240) umfaßt und nicht ein Differenzierelement aufweist, eine Transferfunktion F(s) entsprechend dem Quotienten der Differenz (Δe) und der manipulierten Variablen (ec) hat und einen komplexen Parameter 5 als eine Variable enthält, und wobei der Grad sa des komplexen Parameters s des Nenners der Transferfunktion F(s) gleich oder größer als der Grad sb des komplexen Parameters s des Zählers der Transferfunktion ist (sa ≥ sb),

wobei die Kombiniereinrichtung (34) ein Ausgangssignal (e24) der Transferfunktionsschaltung (240), zu dem die Differenz (Δe) gespeist ist, mit einem Signal (ey) kombiniert, das erhalten ist durch Verzögern des Signales (ex) um eine vorbestimmte Zeit (Tc), die gleich zu der Zeit gewählt ist, die erforderlich ist, um die gesteuerte Variable (e0) einzustellen, wodurch die manipulierte Variable berechnet wird.

2. Rückkopplungssteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) wenigstens eines der Proportionalelemente (Kp) und der Integrierelemente (Ki/s) umfaßt.

3. Rückkopplungssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit (Tc) die Zeit darstellt, in der die gesteuerte Variable (e0), die von dem gesteuerten Objekt (10) ausgegeben ist, Änderungen in der gesteuerten variablen Referenz (ei) folgt.

4. Rückkopplungssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit (Tc) die Zeit darstellt, um die erfaßte gesteuerte Variable (e0), die aufgrund einer externen Störung (ec) verändert ist, welche auf das gesteuerte Objekt (10) einwirkt, auf die gesteuerte variable Referenz (ei) wiederherzustellen.

5. Rückkopplungssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit (Tc) die Zeit entsprechend einer Ansprechverzögerung (&epsi;-Std*) bezüglich der manipulierten Variablen (ec) umfaßt, die in das gesteuerte Objekt (10) eingegeben ist.

6. Rückkopplungssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit (Tc) die Zeit entsprechend einer Periode eines Abtastens eines Signales (e35) in dem Fall umfaßt, in welchem die Steuereinrichtung (20) eine Konfiguration einer abgetasteten Datensteuerung einschließt, die die manipulierte Variable (ec) im Anschluß an das Signal (e35) liefert, das durch Abtasten der gesteuerten va riablen Referenz (ei) erhalten ist.

7. Rückkopplungssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin mit:

einer Einrichtung (32) zum Übertragen des Signales (ey), das durch Verzögern des Signales (ex) erhalten ist, in ein verschiedenes Signal (e32), und

eine Einrichtung (33) zum Einspeisen einer Differenz (ex) zwischen der erfaßten gesteuerten Variablen (e0) und dem verschiedenen Signal (e32) als das Si qual (ex) in die Verzögerungseinrichtung (31).