DE767654C

DE767654C - Damping arrangement for control and regulation systems

Info

Publication number: DE767654C
Application number: DES127090D
Authority: DE
Inventors: Jacob Huber
Original assignee: Siemens APP und Maschinen GmbH
Current assignee: Siemens APP und Maschinen GmbH
Priority date: 1937-05-01
Filing date: 1937-05-01
Publication date: 1953-03-16

Description

Dämpfungsanordnung für Steuer- und Regelsysteme Es ist bekannt, daß die Bedingung für die Entstehung von Regelschwingungen bei stetigen Steuer- und Regelsystemen abhängig ist von dem Verhältnis, der Laufzeit des Systems zur Übergangszeit. Unter Laufzeit des Systems ist hierbei z. B, bei Betrachtung einer ferngesteuerten- Bewegung diejenige Zeit verstanden, welche zwischen dem Zeitpunkt der primären Veränderung der Vergleichsgröße an der Stellenvergleichseinrichtung (Indikator) am Empfangsort und dem Zeitpunkt des Beginns der daraufhin vom Motor eingeleiteten Bewegung am Indikator liegt. Untier Übergangszeit ist die Zeit zu verstehen, die der Motor braucht, -um von einer bestimmten Stellung auf eine andere bestimmte Stellung zu gelangen. Es ist nun möglich, die Regelschwingungen eines. Systems dadurch äbzudämpfen, daß die. Laufzeit verkleinert oder die Übergangszeit, vergrößert wird. Eine Vergrößerung der Übergangszeit ist aber oft nicht zulässig. Die Laufzeit kann ohne weiteres nicht beliebig klein gewählt, werden, da in normalen Fällen die verwendeten Elemente eine positive Laufzeit haben.Damping arrangement for control and regulation systems It is known that the condition for the development of control oscillations with continuous control and Control systems depends on the ratio, the runtime of the system to the transition period. When the system is running, z. B, when looking at a remote-controlled Movement understood the time between the time of the primary change the comparison variable at the job comparison facility (indicator) at the receiving location and the time of the start of the movement initiated by the motor on Indicator lies. Under the transition period is the time that the engine needs to understand -to move from one particular position to another particular position. It is now possible to control the oscillations of a. System by the fact that the. The transit time is reduced or the transition period is increased. An enlargement however, the transition period is often not permitted. The running time cannot easily Chosen arbitrarily small, since in normal cases the elements used have a have a positive term.

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnun.g für Steuer- und Regelsysteme beliebiger, z. B. elektrischer, elektromechanischer, hydraulischer, rein mechanischer und anderer Art zur Erzielung einer t:eitgehettden Verkleinerung der Laufzeit und Unterdrückung von Regelschwingungen auch bei großer Regelsteilheit. Sie ist gekennzeichnet durch die Einschaltung eines aus mehreren, Widerstände, Kapazität und/oder Induktivität enthaltenden Gliedern bestehenden e@e@ctrischen -Netzwerkes oder einer entsprechenden elektromagnetischen, rein mechanischen oder hydraulischen Anordnung mit einer in bezug auf die Steuer- bz-%v. Regelgröße negativen Gruppenlaufzeit in ein derartiges System. Zur Frage der 'Netzwerke mit. negativer Gruppenlaufzeit vgl. u. a. die Ausführungen von Feldtkeller, »Die Gruppenlaufzeit elektrischer L'bertragungssysteme##, in der Veräffentlichung auf dein Gebiet der Nachrichtentechnik. 5. Jahrgang 1935, i. Folge, S. 21 ff. So sind z. B. elektrische Netzwerke, welche eine negative Gruppenlaufzeit (Ableitung der Phase einer sinusförmigen Bewegung der Regel-röl'e nach der Frequenz dieser Bewegung) besitzen, an :ich bereits 13°hannt. jedoch nicht für die Unterdrückung von Regelschwingungen. Auf die Wirkungsweisse eines derartigen Netzwerkes wird daher nicht näher eingegangen.The invention relates to a Dämpfungsanordnun.g for control and regulating systems of any, z. B. electrical, electromechanical, hydraulic, purely mechanical and other types to achieve a t: eitgehettden reduction of the running time and suppression of control oscillations even with great control steepness. It is characterized by the inclusion of an e @ e @ ctric network consisting of several elements containing resistors, capacitance and / or inductance or a corresponding electromagnetic, purely mechanical or hydraulic arrangement with a control or% v. Controlled variable negative group delay in such a system. On the question of 'networks with. negative group delay, see among others the statements by Feldtkeller, »The group delay of electrical transmission systems ##, in the publication in your field of communications technology. 5th year 1935, i. Episode, p. 21 ff. B. electrical networks, which have a negative group delay (derivation of the phase of a sinusoidal movement of the rule röl'e according to the frequency of this movement): I already 13 °. but not for the suppression of control oscillations. The mode of operation of such a network is therefore not discussed in more detail.

In den Figuren ist der Erfindungsgeciankie heispielsw°ise dargestellt. Es zeig--n Fig. i bis 3 verschiedene Ausführungs-, form-en elektrischer Netzwerke Fig. .I das Prinzip .einer Wegsteuerung und Fig. 5 ein rein mechanisches System.In the figures, the term of the invention is shown by way of example. It shows - n Fig. 1 to 3 different embodiments, forms of electrical networks FIG. 1 shows the principle of a path control and FIG. 5 shows a purely mechanical system.

Die elelztrisclren --\-etz,%verlce i bestehen aus den Gliedern 2. 3 und .I. Jede Gruppe der Fig, i enthält Widerstände 5, 6 und eine Kapazität;. An die Stelle einer Kapazität; kann auch eine Induktivität 8 (Fig. 2) treten, oder es kann eine Kapazität und eine Induktivität in jeder Gruppe (Fig. 3) vorhanden sein. Die Zahl der Gruppen richtet sich nach dem jeweilig torliegenden Betriebsfall und ist nicht etwa auf drei beschränkt.The elelztrisclren - \ - etz,% verlce i consist of the terms 2. 3 and .I. Each group of Fig. I contains resistors 5, 6 and a capacitance ;. At the place of a capacity; an inductance 8 (FIG. 2) can also occur, or there may be a capacitance and an inductance in each group (Fig. 3) be. The number of groups depends on the operational situation at the gate and is not limited to about three.

In Fig. q. arbeiten ein Geber g und ein Motor io auf eine Stellungsvergleichseinrichtung i i (Indikator). Der bei einer Geberbewegung auftretende Wegfehler -,wird als elektrische Größe über das Netzwerk i und ein: RegelsVstem 12, welches z. B. aus gittergesteuerten Entladungsgefäßen bestehen kann, dem Motor io zugeführt. Hierdurch wird der Motor io im Sinne einer Beseitigung des aufgetretenen Wegfehlers be:influßt. Im vorliegenden Fall ist es zweckmäßig, das 'Netzwerk i an einer Stelle .einzuschalten, an der der Wegfehler in Form einer Gleichspannung auftritt.In Fig. Q. an encoder g and a motor io work on a position comparison device i i (indicator). The path error that occurs during an encoder movement - is called electrical Size over the network i and a: RegelsVstem 12, which z. B. from grid controlled Discharge vessels can exist, fed to the engine io. This will make the engine io in the sense of eliminating the path error that has occurred. In the present In this case, it is advisable to switch on the network at a point where the Path error occurs in the form of a DC voltage.

Entsprechend der verlangten großen Regelsteilheit kann durch diie Verwendung von Anordnungen mit negativer Gruppenlaufzeit der Fehler bei Regel- und Steuersystemen sehr klein gemacht werden. Näherungsweise ergibt sich dies für eine Wegsteuerung aus der folgenden Überlegung: Die Stellung der Achse des Gebers g soll mit derjenigen des Motors io übereinstimmen. Weiterhin soll die von dein Indikator i i gelieferte Spannung U" welche dem Motor io über das Regelsystem 12 zugeführt wird, proportional dem Unterschied der Stellung von Geber g und 1Iotor io sein. Wird die Stellung des Gebers g mit s1 und die Stellung des 1Iotors io mit s= be- zeichnet, so gilt Uo-k isl-s@J@ worin la eine Konstante ist.Corresponding to the required steep control steepness, the use of arrangements with negative group delay means that errors in regulating and control systems can be made very small. This results approximately for a path control from the following consideration: The position of the axis of the encoder g should match that of the motor io. Furthermore, the voltage U "supplied by the indicator ii, which is fed to the motor io via the control system 12, should be proportional to the difference in the position of encoder g and 1Iotor io s = loading records, so k applies Uo-isl-s @ @ J wherein a is a constant.

Bei Betrachtung einer sinusförmigen Bewegung des Gebers g ist der «-eg, den er ausführt, s1 = s1 # sin v-, t. When considering a sinusoidal movement of the encoder g, the «-eg that it executes is s1 = s1 # sin v-, t.

Bei kleiner Frequenz o) folgt der Motor io sofort. Der U-egfehler -h ergibt :ich aus der stationären Ungenauigkeit und Empfindlichkeit des Regelsystems 12. Mit steigender Frequenz a) muß der 1-Iotor io mehr beschleunigt werden, und die Phase der Bewegung der Achse des Motors io eilt außerdem der Phase der Bewegung der Achse des Gebers 9 nach. Es tritt also mit zunehmender Frequenz o@ ein größerer Wegfehler auf.If the frequency o) is low, the motor io follows immediately. The U-eg mistake -h results: I from the stationary inaccuracy and sensitivity of the control system 12. With increasing frequency a) the 1-Iotor must be accelerated more, and the phase of movement of the axis of the motor io also leads to the phase of movement the axis of the encoder 9 after. So with increasing frequency o @ a greater one occurs Path error on.

Durch Einfügen eines Netzwerkes oder einer diesem äquivalenten, elektromagnetischen, rein mechanischen oder hydraulischen Anordnung wird die Steuerspannung U, so beeinflußt, daß sie mit zunehmender Frequenz c) in der Phase mehr voreilt und ansteigt. Der Fehler _I, = sl-s., kann hierdurch immer auf einem Minimum gehalten werden. Die gewünschte Beeinflussung der Steuerspannung U, ist durch die dargestellten 1etz-,verke oder durch die obengenannten Anordnungen möglich.By inserting a network or an equivalent electromagnetic, In a purely mechanical or hydraulic arrangement, the control voltage U is influenced in such a way that that with increasing frequency c) it leads more in phase and increases. Of the This means that error _I, = sl-s., Can always be kept to a minimum. the desired influencing of the control voltage U, is shown by the 1etz-, verke or possible through the above-mentioned arrangements.

Es sei hier noch kurz die Verwendung eines rein mechanischen Systems beschrieben, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.. Mit einer Welle 13 ist ein Zahnrad 14 fest verbunden, welches über eine Feder 15 mit einem sich auf der Welle 13 drehenden Zahnrad 16 gekuppelt ist. Letzteres steht ferner mit einer Dämpfungsanordnung 17 in Verbindung. Mit den Zahnrädern 1:I und 16 stehen die Zahnräder 18 und ig im Eingriff, welche die beiden Sonnenräder 2o und 21 eines Differentialgetriebes antreiben. Die Abtriebswelle des Planetenrades 22 ist mit 23 bezeichnet. Mit der gleichen Welle 13 ist ein weiteres Zahnrad 24 fest verbunden, welches über eine Feder 25 mit einem sich auf der Welle 13 drehenden, mit einer zusätzlichen Schwungmasse behafteten Zahnrad 26 gekuppelt ist. Die Zahnräder 2q. und 26 stehen im Eingriff finit den Zahnrädern 2:7 und 28, welche die beiden Sonnenräder 29. und 30 eines Differenti,algetriebes antreiben. Die Abtriebswelle des Planetenrades 3 1 ist mit 32 bezeichnet.The use of a purely mechanical system, as shown in FIG. 5, is briefly described here is. The latter is also connected to a damping arrangement 17. With the gears 1: I and 16, the gears 18 and ig are in engagement, which drive the two sun gears 2o and 21 of a differential gear. The output shaft of the planetary gear 22 is denoted by 23. A further gear wheel 24 is firmly connected to the same shaft 13 and is coupled via a spring 25 to a gear wheel 26 which rotates on the shaft 13 and has an additional flywheel. The gears 2q. and 26 are finitely meshed with gears 2: 7 and 28, which drive the two sun gears 29 and 30 of a differential gear. The output shaft of the planetary gear 3 1 is denoted by 32.

Entspricht die Bewegung der Welle 13 dem Verlauf des Fehlers As der Steuergröße und ist die Dämpfung 17 so bemessen, daß sie der Geschwindigkeit der Bewegung. der Welle 13 entspricht, so führt die Welle 23 eine Bewegung aus, welche dieser Geschwindigkeit gleichkommt. Die zusätzliche Schwungmasse des Zahnrades 26 bewirkt bei einer Bewegung der Welle 13 eine Verstellung der Welle 32, deren Größe der Beschleunigung dieser Bewegung entspricht. An Stelle einer gemeinsamen Welle für die Ermittlung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung können natürlich auch zwei getrennte, aber von. derselben Steuergröße angetridbene Wellen Verwendung finden: Die einzelnen Bewegungen der Wellen z3:, 2'3 und 32 werden addiert und als Steuergröße auf ein Regelorgan gegeben. Die Summe dieser Bewegungen ist dann äquivalent der Ausgangsspannung eines elektrischen Netzwerkes mit negativer Gruppenlaufzeit, sofern auch hier wieder eine sinusförmige Bewegung der Steuergröße vorausgesetzt wird.If the movement of the shaft 13 corresponds to the course of the error As of the control variable and the damping 17 is dimensioned so that it corresponds to the speed of the movement. corresponds to the shaft 13 , the shaft 23 executes a movement which corresponds to this speed. When the shaft 13 moves, the additional flywheel mass of the gear wheel 26 causes an adjustment of the shaft 32, the magnitude of which corresponds to the acceleration of this movement. Instead of a common shaft for determining the speed and acceleration, two separate shafts, but of course, can also be used. The same control variable is used: The individual movements of the waves z3 :, 2'3 and 32 are added and given as a control variable to a control element. The sum of these movements is then equivalent to the output voltage of an electrical network with negative group delay, provided that a sinusoidal movement of the control variable is also assumed here.

Wenn in den vorhergehenden Absätzen die Einschaltung eines Netzwerkes in eine Wegsteuerung beschrieben ist, so ist vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt. Die erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung kann vielmehr auch bei einer Geschwindigkeitssteuerung, bei der Regelung einer elektrischen Größe, z.. B. Konstanthaltung der Spannung oder des Stromes, bei der Regelung von thermischen und hydraulischen Vorgängen u. dgl. vorteilhaft Verwendung finden.If in the previous paragraphs the activation of a network is described in a path control, the present invention is not limited to that. Rather, the damping arrangement according to the invention can also be used in a speed control, when regulating an electrical variable, e.g. B. Keeping the voltage or current constant when regulating thermal and hydraulic processes and the like are advantageously used.

Claims

PATENT CLAIMS: r ,. Damping arrangement for open-loop and closed-loop control systems to achieve a substantial reduction in the running time and suppression of control oscillations. characterized by the inclusion of an electrical network consisting of several elements containing resistors, capacitance and / or inductance or a corresponding electromagnetic, purely mechanical or hydraulic arrangement with a negative group delay in relation to the controllable controlled variable in such a system.

2. Damping arrangement according to claim r, characterized in that the activation of an electrical Network takes place at a point where the error in the form of a DC voltage occurs. To distinguish the subject matter of the invention from the prior art, im The following publication has been considered in the granting procedure: Schweizerische U.S. Patent No. 155,9oo.