DE1523535A1

DE1523535A1 - Regelverfahren fuer einen Regelkreis

Info

Publication number: DE1523535A1
Application number: DE19651523535
Authority: DE
Inventors: Bakke Roger Martin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-08-14
Filing date: 1965-08-06
Publication date: 1969-09-18
Also published as: GB1109885A; NL152995B; SE336694B; CH462288A; US3535496A; DE1523535C3; DE1523535B2; NL6510353A

Description

Docket 18 247

Patentanwalt Dipl.-Ing. H. E. Böhmer
7030 BÖblingen, Sindelfinger Strasse 49 Fernsprecher: (O 70 j51) 661 3040

Anmelderin»

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenz. der Anmelderin:

Böblingen, 5· August 1965 bg-fr

International Business Machines Corporation, Armonk N.Y. 10> 504

Neuanmeldung

Docket 18 247

Häkelverfahren für einen Regelkreis

Die Erfindung betrifft Regelkreise, insbesondere ein Verfahren zur Regelung eines Regelkreises.

Die Reaktion einer Anlage in einem Regelkreis ist abhängig von der Verstärkung. Wird z. B. die Verstärkung auf einen be-» stimmten Wert eingestellt, so kann die Anlage übersteuert sein, wird die Verstärkung auf einen anderen Wert eingestellt, so kann die gleiche Anlage sehr langsam reagieren. Bei einem anderen Wert kann die Anlage unstabil sein.

Zur Abstimmung eines Regelkreises werden die verschiedenen Verstärkungen innerhalb des Reglers auf Werte eingestellt, so daß der Kreis angemessen reagiert* Die Reaktion des Kreises 1st jedoch nicht allein von den Verstärkungseinstellungen im Regler abhängig. Bestimmte Nichtllnearitäten innerhalb der Anlage,

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die geregelt werden sol]an,und verschiedene Störungen können . die Reaktion stören. So kann, obwohl die Verstärkung im Regler anfangs so ein, esteilt wurde* daß der Kreis die gewünschte Reaktion lirfert, infolge von Nichtlinearitäten und äußeren Störungen, die Reaktion unerwünscht verlaufen.

Die Regeltechnlk wurde entwickelt« um die oben beschriebenen Nachteile der üblichen Steuerungen zu beseitigen. Es.gibt mehrere bücher über die Regeltechnik und eine relativ große Zahl von technischen Veröffentlichungen. Pie Proceedings eines Symposiums über Re₍,eltechnik, die durch die MacMillan Comp. 1961 veröffentlicht wurden, tragen den Titel: "Adaptive Control Systems" und sind von G. Felix Carnthers und Harold Levenstien herausgegeben. Dieses riuch enthält eine ^roße Zahl von Literaturstellen für Veröffentlichungen dieser Technik. Ein allgemeiner Überblick des Standes der Technik wird in einer Veröffentlichung von Stanley Shimers gegeben, die "Optimal and Adaptiv· Control Systems" betitelt ist und in der Zeitschrift Electro-Technology, Juli 1964 veröffentlicht wurde.

Die Regelsystem« nach dem Stand· der Technik gliedern sich in vier Gruppen. Diese uruppen werden im folgenden als der Modelltyp, der Störun^styp, der ^renzfrequenztyp (limits cycle type) und der Frequenz^angtyp bezeichnet. Der Modelltyp benutzt ein simuliertes Modell des Prozesses, um ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, wie _t,roß die Stellgröße (oder die Stellgrößen) des Reglers sein sollten. Wenn sich das Signal aus dem Modell von

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der Stellgröße aus dem Regler unterscheidet, wird eine entsprechende Änderung vorgenommen. Beim Störungstyp wird eine Störung in die Anlage eingeführt und die Reaktion auf diese Störung beobachtet. Die Stellgröße (oder Stellgrööen) werden dann so eingestellt« damit die richtige Reaktion auftritt. Beim Grenzfrequenz typ werden Hochfrequenzschwingungen (eine Grenz-: frequenz) in dem Regelkreis erzeugt. Die Stellgröße (oder Stellgrößen) der Anlage werden so eingestellt, daß man die richtige ürenzfrequenzreaktion erhält. Beim Frequenzgang^ wird eine Frequenzganguntersuchung vorgenommen, welche die niederfrequenten Schwankungen einer Anlage um den gewünschten Wert feststellt. Die Stellgröße der Anlage wird so eingestellt, daß die gewünschte Schwankungsfrequenz erhalten wird. Das Regelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von allen erwähnten Systemen, weil es kein simuliertes Modell benutzt, keine Störung in das System einführt, keine Urenzfrequenz einführt und well das System ständig übermäßig gedämpft sein kann, so daß das System nach einer Störung oder nach einem Wechsel in der Einstellung nicht übersohwingen muß. Das erfindungsgemäß« Verfahren weicht vollständig von den bisher bekannten ab und ist nieht nur «ine Verbesserung der bereits bekannten Verfahren.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das für die verschiedenartigsten Regelungen einsetzbar ist, das einen geringen Aufwand benötigt und das zur Steuerung einer Anlage benutzt werden kann, ohne vorher die Eigenheiten der Anlage im Detail bestimmen zu müssen»

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- 4 - Docket 18 247

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für einen Regelkreis. Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, daß die Größe des Fehlersignals in einem Frequenzbereich ermittelt wird« indem die Größe des Pehlersignals sowohl von der Regelkreisverstärkung als auch von der Größe des Störsignal· abhängt, daß

die uröße des Fehlersignals in wenigstens einem anderen Frequenzbereich ermittelt wird, in dem die Oröße dee Fehlersignals nur von der Größe dee Störeignais abhängt und daß die Verstärkung des Reglers abhängig von den in den Frequenzbereichen gemessenen Größen des Fehlereignale derart geregelt wird, daß die Regelkreisverstärkung auf einem optimalen Wtrt gehalten wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren für die folgendes gilts

1} Die Energieübertragung von Regelkreisen 1st im allgemeinen eine einförmig ansteigende Funktion, die die Regelkreieverstärkung anzeigt.

2) Die Störsignale (einschließlich beabsichtigter Eingangssignal·) in jedem praktischen System gehören mehreren Kategorien an.

35) Jede Kategorie von Störsignalen hat eine verhältnismäßig stabile Energieverteilung abhängig von der Frequenz, so daß man durch Messen der Stärke van ausgewählten Frequenzkomponenten Signalenergie bei anderen Frequenzen bestimmen kann, und

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4) Die Energieübertragung eines Systems ist bei bestimmten Frequenzen stark und bei anderen Frequenzen nur schwach oder überhaupt nicht vom Kreisgewinn des Systems abhängig.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Energie einer der Zustande-Variablen im Regelkreis bei mehreren ausgewählten Frequenzen gemessen. (Eine Zustand«variable ist eine Variable, die sich im Regelkreis befindet.) Eine erste Messung wird in einem Frequenzband vorgenommen, in dem die Energieübertragungsfähigkeit des Systems im starken Maße von der Regelkreisver- i Stärkung abhängt. Die erste Messung ergibt einen Wert, der von dem flegelkreisverstärkungszustand des Systems und von der Signalenergie im System zu diesem speziellen Zeitpunkt. Die Energie derselben Zustandevariablen wird bei anderen Frequenzen gemessen. Jede der Frequenzen, die für die zweite Messung gewählt wird, ist sowohl eine Frequenz, bei der die Energieübertragungsfähigkeit des Systeme unabhängig oder nur wenig abhängig von der Regelkreisverstärkung ist, als auch eine Frequenz,-die für eine besondere Kategorie von Störsignalen charakteristisch ist. Die für die zweite Messung verwendeten Frequenzen umfassen solche Frequenzen, die für jede wichtige Störungeart charakteristisch sind, wodurch die zielte Messung eine zweite Anzeige erhält, die die Signalenergie im System im ersten Frequenzband anzeigt« Die ersten und zweiten Anzeigen werden verglichen, um die Stellgröße des Systems zu bestimmen. Die Verstärkung des Stellgrößengebers wird dann in eine Richtung eingestellt, so daß die Schleifenverstärkung dee Systeme auf dem gewünschten Wert bleibt.

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- δ - Docket 18

Nachstehend soll die Erfindung anhand der Flg. 1 bis 8, in denen AusfUhrungsbeispiele dargestellt und die Wirkungsweise der Erfindung dargestellt 1st» erläutert werden.

Flg. 1 zeigt ein Beispiel eines Regelkreises, bei dem die Erfindung anwendbar 1st.

Flg. 2 zeigt die Anlagenverstärkung abhängig von der

Stellgröße für verschiedene Operationsbedingungen der Anlage.

Fig. 2 zeigt charakteristische Regelgrößen der Anlage in Abhängigkeit von der Zeit, nachdem die Kreisverstärkung sprungartig verändert wurde.

Fig. 4 zeigt das Ubertragungsverhältnis bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Verstärkungszustände.

Fig. 5 1st eine Flußtafel, welche das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.

Fig. 6 zeigt Schaltungselemente zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 7 u. δ zeigen die Frequenzbänder, die bei AusfUhrungsbeispielen der Erfindung benutzt werden.

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Ein Regelkreis bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann, ist in Pig. 1 gezeigt. Dieser Hegelkreis umfasst eine Anlege oder einen Vorgang 10 und einen zugehörigen Regler 11. Die Anlage 10 hat ein regelbares Element 12, das durch eine Stellgröße 17 aktiviert wird und ein zugehöriges Abtastelement 14, das eine Regelgröße 15 hervorbringt. Der Regler 11 umfasst einen Eingang 16, dem eine Sollgröße zugeführt wird. Die Anlage 10 kann beispielsweise ein relativ einfaches hydraulisches System mit einer Reihe von Röhren und Tanks sein. Xn diesem Fall kann das regelbare Element 12 ein Ventil sein, i das den Zufluß in das System reguliert, und das Abtastelement 14 kann ein Sender sein, der ein Signal erzeugt, welches den Flüssigkeitsstand in einem Reservoir im System anzeigt. Die Anlage 10 kann aueh eine umfangreiche katalytische Spaltanlage oder ein Flugzeug sein. In einer katalytischen Spaltanlage kann das steuerbare Element 12 ein Dampfventil sein, das die Temperatur kontrolliert, und das Abtastelement 14 kann eine Meßvorrichtung sein, welche den Prozentsatz einer bestimmten Chemikalie am Ausgang des katalytischen Spaltgerätes bestimmt. In einem Flugzeug kann das regelbare Element 12 das hydraulische System sein, welches die Bewegung von einem der Höhenoder Seitenruder oder anderer Steuerflächen bewirkt, und das Abtastelement 14 könnte ein- Kurskreisel sein. Für die vorliegende Erfindung ist die Art der Anlage 10 unwesentlich. Es ist lediglich notwendig, daß die Anlage 10 ein regelbares Element 12 sowie ein Abtastelement 14 hat.

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- 8 - Docket 18

Eine Vergleichseinrichtung 18 vergleicht laufend die Regelgröße 15 mit der Sollgröße« die dem Eingang 16 zugeführt wird; sie erzeugt ein Fehler-Signal, das auftzetende Unterschiede Anzeigt. Das Steuergerät 20 spricht auf das Fehlersignal an und aktiviert das regelbare Element 12 in der Richtung, die zur Eliminierung des Fehlersignals erforderlich 1st. Der Stellgrößengeber 20 hat eine Verstärkungsregelung 22; die Gründe hierfür werden später ausführlich erläutert. Der Steuergrößengeber 20 kann im 1, 2, 3 oder n-Modesteuergerät arbeiten, d. h. er kann proportionale und/oder abgeleitete und/oder integral und/oder nach einer höheren Funktion regeln. Die Verstärkungsregelung wirkt Jedoch nur auf d*£ den proportionalen Teil der Regelung ein. Die Einstellungen für die anderen Verstärkungen werden hler nicht gezeigt, da sie für dieses AusfUhrungsbeispiel der Erfindung unwesentlich sind. Der Wert der anderen Verstärkungen wird auf konventionelle Weise eingestellt. Eine Vielzahl von automatischen Regelungen sind im Handel erhältlich. Die so erhältlichen Regelungen umfassen im allgemeinen die Vergleichseinrichtung 18 und einen Stellgrößengeber 20

Die Anlage 10 umfasst Ungradllnigkeiten und mehrere mögliche Betriebs zustände. Das Verhältnis zwisehender Größe einer Veränderung in der Regelgröße 15 und der Größe einer Veränderung in der Stellgröße 17 ist für verschiedene Stellgrößen 17 und für* verschiedene Betriebezustände verschieden. Der Begriff ''Anlagenverstärkung" stellt das Verhältnis einer Änderung der Regelgröße 15 zu der Änderung der Stellgröße 17 dar. Fig. 2

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zeigt, daß sich die Anlagenveratärkung verändert, wenn sich die Steuergröße 17 und der Betriebszustand verändert.

In Fig. 2 sind Kurven dargestellt, die zeigen, wie sich die Anlagenverstärkung mit dem Betriebszustand und der Stellgröße verändert. In einem hydraulischen System, das einen Tank aufweist mit Aliteilungen mit unterschiedlichen Durchmessern, verändert sich die Anlagenverstärkung, wenn der Flüssigkeitsstand im Tank von einer TanJÄ>teilung mit einem Durchmesser zu einer Abteilung mit einem anderen Durchmesser wechselt. In "

einem Flugzeug verändert sich die Anlagenverstärkung, wenn sich die Höhe des Flugzeuges verändert. Ein Beispiel für eine Ungradlinigkeit, durch welche die Anlage verschiedene Anlagenverstärkungen für verschiedene Steuergrößen 17 hat, obgleich sie sich im selben Betriebszustand befindet, ist z. B. ein hydraulisches System, bei dem das regelbare Element 12 ein

kenn Ventil mit nichtlinearer Ansprechungslinie ist. Hier verändert

sich die Anlagenverstärkung abhängig von der Stellgröße oder

dem Durchfluß durch den Tank, obgleich der Betriebszustand ^

oder der Pegel im Tank derselbe bleibt.

Der Stellgrößengeber 20 hat ebenfalls eine proportionale Verstärkung. D. h., für eine bestimmte Xnderung im Fehler·Signal hat die Änderung der Stellgröße 17 einen bestimmten Wert. Dies wird im folgenden "Stellgrößengeber-Verstärkung" genannt. Die Reaktion im gesamten System hängt von der Regelkreis-Verstärkung, die das Produkt der Stellgrößengeber-Verstärkung und der Anlagenverstärkung darstellt, ab. Die theoretische Basis hierfür ist

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bekannt und wird in jeder StandardVeröffentlichung Über automatische Regelung erläutert* Der Begriff "System" wird im folgenden benüzt zur Beschreibung der Kombination aller Elemente im Regelkreis einschließlich der Anlage 10, der Vergleichseinrichtung 18 und dein Stellgrößengeber 20«

Fig. 2 zeigt drei mögliche Arten der Reaktion auf Grund eines Sehrittweehsels. Die Reaktion des Systems hängt von der Regelkreisverstärkung ab. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, tritt ein Uberschwingen ein und die Regelgröße oszilliert anfänglich um den erwünsehten Wert. Ist die Verstärkung zu schwach» so, spricht das System träge an und braucht eine relativ lange Zeit, um den erwünschten Wert zu erreichen. Der Wert der Verstärkung, der zu hoch ist, wird mit LK-3 bezeichnet; die erwünschte Verstärkung ist LK-2 und die zu niedrige Verstärkung LK-1.

Das System soll natürlich immer die erwünschten Aneprech-Kennlinlen haben, d. h. es ist erwünscht, die Verstärkung auf dem Wert LK-2 zu halten. Wie jedoch in Pig. 2 gezeigt, ändert sich die Verstärkung der Anlage abhängig von der Steuergröße und dem Betriebszustand. Auf diese Weise muß die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 entsprechend variiert werden, um die Verstärkung des Systems auf dem erwünsehten Wert zu halten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochwertige Methode zur Veränderung der Verstärkung des Stellgrößen^-ebers 20.

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- 11 - Docket 18 247

Wesentlicher für die vorliegende Erfindung ist die Erkenntnis, daß sich das Verhältnis der Größe des Fehler-Signals zur Größe des Störsifc,nal« mit der Frequenz ändert. Dies wird in Fig. 4 gezeigt» Das Verhältnis der Größe des Fehler-Signals zur Größe des Störsignales wird im folgenden übertra_t;ungsverhKltnie genannt.

Die Störsignale, denen Jede"physikalische Anlage oder Jedes Verfahren 10 unterworfen ist, sind sehr vielfältig. Es kann aloh beispielsweise um elektrische Rausehsignale oder um mechanische Schwingungen handeln. Außerdem können Störsignale an verschiedenen Stellen in den Regelkreis gelangen. Veränderungen an der Sollgröße a^i Eingang 1 6 werden im folgenden auch Störsignale genannt. Fig. 4 zeigt die Kennlinien des Systems für einen willkürlich gewählten Störsignaltyp. Für jeden Störsignaltyp Jed«th hat das System ein von der Frequenz abhängiges übertragungsverhältnls, wie dae in Fig. 4 gezeigte. Wichtig ist, daß bei bestimmten Frequenzen die Größe des Übertragungsverhältnisses nur schwach oder überhaupt nicht abhängig von der Kreisverstärkung den Systems istj bei anderen Frequenzen 1st Jedoch die Größe des Übertragungsverhältnisses in starkem Maße abhängig von der Größe der Kreisverstärkung. Mit anderen Worten: die Schwankung des Ubertragungsverhältnisses abhängig von der Frequenz ist für verschiedene Kreisverstärkungen verschieden

Die Energie in einem bestimmten Frequenzband, die durch das System zu Jeder beliebigen Zeit Übertragen wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

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E (t, k) 1st die vom System übertragene Energie abhängig von der Zeit (t) und dem Zustand der Regelkreisverstärkung (k). ο (t, w) ist das Störsignal abhängig von Zeit und Frequenz (w). R (w, k) ist das Ubertragungsverhältnis abhängig von der Frequenz (w) und der Regelkreisverstärkung (k).

W Wenn die Größe der Stärke einer bestimmten Frequenzkomponente des Fehler-Signals gemessen wird, so stellt der erzielte Wert

das Produkt

c(fc, w.)

dar, wobei W₁ die

Frequenz ist, bei welcher die Messung vorgenommen wird, und k₁ die Verstärkung des Regelkreises zur Zeit t. Wenn die Messung bei einer Frequenz (oder in einem Frequenzband) vorgenommen wird, bei welcher das Ubertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, dann ist der erzielte Wert abhängig vom Störsignal und dsm Verstärkerzustand des Systeme. Wenn andererselts die Messung bei einer Frequenz vorgenommen wird, bei welcher das Ubertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung des Systems abhängt, dann ist der sich ergebende Wert nur abhängig vom Störsignal.

Die Störsignale, die bei jedem System auftreten, können In Klassen aufgeteilt werden. Jede Störklasse hat ein charakteristisches Frequenzspektrum. Für Jede Störsignalklasse, wenn zwei oder mehr bestimmte Frequenzen gewählt werden, hat die Größe der

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Komponenten der Fehler-Signale bei diesen Frequenzen eine bestimmte Abhängigkeit. Außerdem können für jede Störsignalklasse 2wei oder mehr Frequenzen im allgemeinen gewählt werden, so daß eine dieser Frequenzen in dem Bereich liegt, in dem das Ubertragungsverhältnis des Systems im starken Maße von der Kreisverstärkung des Systems abhängig ist, und die anderen Frequenzen können in Bereichen gewählt werden, wo das Ubertragungsverhältnis nur eohwaeh oder überhaupt nicht von der Regelkreisverstärkung des Systems abhängt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Stärke mehrerer ausgewählter Frequenzkomponenten des Fehler-Signala gemessen. Eine Messung wird in einem ersten Frequenzband vorgenommen, wo das Ubertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung des Systems abhängt, und es werden auch Messungen vorgenommen in Bändern, wo das Ubertragungsverhältnis nicht von der Verstärkung abhängt. Die Messungen in den Bändern, in denen das Ubertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung unabhängig ist, werden dazu verwendet, die Grüße der Komponenten des Störsignales in dem ersten Band zu rekonstruieren. Dies ist möglich, weil wie schon erläutert Tür jede Stb'rklasse die entsprechende Größe von verschiedenen Frequenakomponenten relativ stabil ist.

Die Messung im Band, wo das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, wird dazu vei^endet, die augenbliekliche Regelkreisverstärkung des Systems anzuzeigen. Wie jedoch schon erläutert, ist die Messung im Band, wo das

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von der Regelkreisverstärkung abhängt, eine Punktion vom Stersignal und von der Regelkreisverstärkung. Durch Vergleich des rekonstruierten Störsignals mit der Energie im Fehler-Signal bei Frequenzen, wo das Übertragungsverhältnis von der KegelKreisverstärkung abhängt, erhält man den gegenwärtigen Wert der Regelkreisverstärkung, oder mit anderen V/orten ausgedrückt, die Abweichung der Regelkreieverstärkung des Systems von dem gewünschten Wert.

Um die üröße der Prequenzkomponenten des StörelgnaJLs im Frequenzband zu rekonstruieren, wo das Übertragungsverhältnis von der Verstärkung abhängt, wird die Größe des Fehler-Signals für Jede Störsignalklasse, die ein anderes Fräqivsn^spektruni in einem getrennten Band hat, gemessen. Im ersten Ausführungsbeispiel sind zur Erleichterung des Verständnisses nur zwei Störklassen besonders beaehtet. Treten beim System andere Störarten auf, so arbeitet das System trotzdem; die Verstärkungsanpassung ist jedoch nicht so vollkommen, wie wenn mehr Störklassen in Betracht gezogen werden. Die erste betrachtete Störklasse ist ein Wechsel der Sollgröße die dem Eingang 1jj> zugeführt wird. Das Frequenaspektrum dieses Störsignals hat vorwiegend Komponenten niedriger Frequenz; aus diesem Grunde wird eine Messung der üröße des Fehls·-Signals zwischen Frequenz W1 und W2 vorgenommen (siehe Fig. 4 und 7). Das Frequenzband zwischen W1 und W2 wird im folgenden Niedri^frequenzband genannt. Die zweite Störklasse, die im ersten AusfUhrungsbei3piel der Erfindung betraehtet wird, ist das Rauschen bei Mess- .

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instrumenten, dae vorwelgend Komponeten hoher Frequenz hat. Aus diesem (Jrunde wird eine Messung im Frequenzband zwischen den Frequenzen W£ und W6 vorgenommen (siehe Fig. 4 und 7)» Das Frequenzband zwischen W5 und W6 wird im folgenden mit Hochfrequenzband bezeichnet. Im ersteht gezeigten AusfÜhrungabeispiel wird die von der Verstärkung abhängige Messung im Frequenzband WjJ bis W4 vorgenommen, das im folgenden Zentralfrequenzband genannt wird.

Für jede Störsignalklasse ist das Verhältnis zwischen der Größe der Störung im gemessenen Band und der Größe der Störung im Zentralfrequenzband stabil, da, wie schon oben' erläutert, Energie jeder Störsignalklasse ein charakteristisches Frequenzspektrum hat. Auf diese Weise kann die Messung in Hoch-und Niedrigfrequenzbändern verwendet werden, um die Energie anzuzeigen, die im Zentralfrequenzband übertragen würde, wenn das System in dem gewünschten Verstärkungszustand arbeiten würde. Wenn die tatsachlich im Zentralband gemessene Energie verschieden ist von der Energie, die übertrsgen würde, wenn das System in dem gewünschten Verstai'kungszustand arbeiten würde (wie dureh die Messung in den hoivin und niedrigen Bändern angezeigt), so zeigt dies an, daß die Regelkreisverstärkung des Systems sieh von dem gewünschten Wert unterscheidet und daß die Stellgrößengeberverstärkung geändert werden muß, um die Regelicreisveratärkung des Systems auf den gewünschten Wert zu bringen.

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Die Schritte, gemäß der vorliegenden Erfindung, werden in Fig. 5 gezeigt. Die drei wesentlichen Schritte werden durch die Kästchen 601, 602 und 60^ gezeigt. Der durch das Kästchen 601 dargestellte Schritt umfasst die Meseung dtr Energie im Fehler-Signal bei Frequenzen, bei denen das übertragungeverhältnis des Systeme von der Regelkreisverstärkung abhängt. Kästchen 601 stellt beispielsweise eine Messung der Energie im Fehlersignal zwischen den Frequenzen Wj5 und W4 dar.

Der durch das Kästchen 602 dargestellte Schritt ist die Messung der Energie im Fehlersignal bei Frequenzen, bei denen das Energie-Übertragungsverhältnis des Systems nicht von der Regelkreisverstärkung abhängt. Nach Fig. 4 kann diese Messung bei- . spitjlsweise zwischen den Frequenzen W1 und W2 und zwischen den Frequensen W5 und W6 vorgenommen werden.

Der durch das Kästchen 6Oj5 in Fig. 5 dargestellte Schritt 1st ein Vergleich der Anzeigen der vorhergehenden zwei Schritte. Zur Erleichterung werden die Ergebnisse des durch Kästchen 601 dargestellten Schrittes mit A und die Ergebnisse des durch Kästchen 602 dargestellten Schrittes mit B gekennzeichnet. Wenn A größer ist als B, so verringert sich die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 in Fig. 1; wenn A kleiner ist als B, so erhöht sich die Verstärkung des Stellgrößengebers 20,

Fig. 6 zeigt Bauelemente, welche die Methode der vorliegenden Erfindung durchführen können. Die in Fig. 7 gezeigten Bau-

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- 17 - Docket 18 247

elemente umfassen drei BandpasaFilter 711, 721 und 731; drei Schaltungen 712, 722 und 732 zur Bestimmung des absoluten Werte» von Signalen; drei Begrenzerschaltungen 713, 722 und 733; drei veränderbare Verstärker 714, 724 und 734; eine Summierungssehaltung 751« eine konventionelle Zwei-Mode-Schaltung 752 und eine Quadriervorrichtung 755· Die Schaltungen bilden drei Kanäle 710, 720 und 730. Der Kanal 720 dient zur Durchführung des Schrittes, der in Fig. 5 mit dem Kästchen dargestellt ist, und die mit 710 und 730 bezeichneten Kanäle dienen zur Aueführung des durch Kästchen 602 in Flg. 5 dargestellten Sehrittes. Die Schaltungen 751, 752 und 755 dienen zur DurehfUhrung des durch Kästchen 603 in Fig. 5 angezeigten Schrittes.

Die Schaltungen des Kanals 720 messen die Energie des Fehlersignals bei Frequenzen, bei denen die Energieübertragung des Systems von der Regelkreisverstärkung abhängt, Das Bandpassfilter 721 hat einen Durchlassbeaich zwischen den Frequenzen W3 und W4 (eiehe Fig. 4 und 7)* so daß das Ausgangssignal des Filters 721 die Größe der Komponenten im Fehlersignal darstellt, die zwisehen den Frequenzen W3 und W4 liegen. Um den Ausgang von Filter 721 in ein Energiesignal umzuwandlen, wird sein absoluter Wert durch die Schaltung 722 gebildet. Die Umwandlung in den absoluten Wert hat zur Folge, daß das Ausgangssignal der Schaltung 722 immer positiv ist und den Wert des Fehleraignals, unabhängig von dessen Vorzeichen anzeigt. Der absolute Wert eines Signals kann mittels bekannter Schaltungen

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wie beispielsweise einer BrUekenschaltunggebildet werden. Der Begrenzer 723 verhindert,'daß das System auf ab und zu auftretende, starke und völlig unplanmäßig auftretende Rauschsignali anspricht. Der veränderbare Verstärker 724 ist in der Schaltung 720 angeschlossen,, um dl« Ausgangssignale der Schaltungen 710, 720 und 730 richtig anzupassen.

Der durch Kästchen 602 in Fig, 5 gezeigte Schritt wird in zwei Teilen ausgeführt. Der Kanal 7T0 bildet eine Anzeige der Energie im Fehler-Signal zwischen den Frequenzen W1 und W2 (eieh« Fig. ²O, und der Kanal 730 bestimmt die Energie im Fehler-Signal zwisahen den Frequenzen W5 und W6, Die !anale 710 und 730 enthalten dieselben Schaltungen wi© Kanal 720, der oben erläutert wurde; aus diesem Grunde wird keine ausführliche Erklärung der Kanäle 710 und 730 gegeben.

Die Summierschaltung 75t subtrahiert das Ausgangssignal von Kanal 720 von der Summe von

a) dem Ausgangssignal von Kanal 710;

b) dem Ausgangssignal von Kanal 730 ; und

o) einem Gleieh3trombezugsslgnal, das dem Eingang 753 zugeführt wird.

Das Gleichstrombezugssignal wird eingegeben, um den Teil des Störsignale zu kompensieren, der an den Ausgängen von Schaltungen 710 und 730 nicht ersaheint. An den Ausgingen der Schaltungen 710 und 730 erscheint nur der Teil des StVr-

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signals, der zwischen den Frequenzen WI bis W2 und W5 bis W6 liegt. Das Glelchstrombezugssignal am Eingang 753 kompensiert die Stursignalklassen, deren Komponate im Frequenzbereich WJ bis W4 liegt« die Jedoch durch die Größe im Frequenzbereich Wt bis W2 oder WJ bis Wo nicht richtig eingeschätzt wurden. Die Größe des Gleichetrombezugssignals am Hingang 755 wird in derselben Art eingestellt wie die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 7j$4, wie im folgenden roch erläutert wird.

Die Zwei-Mode-Regelung 752 1st eine konventionelle Regelung, | die das Signal vom Auegang der Summierschaltung 751 empfängt und die mechanisch oder eäctrißch den Eingang der QuadriervErrichtung 755 steuert. Der Auegang der Quadriervorrichtung 7»5 stellt mechanisch oder elektrisch die Verstärkungsregelung 19 des Stellgrößengebere 20 ein. Die Quadriervorrichtung 7$5 1st darum vorgesehen, daß mit derselben Eingangssignalgröße die Geschwindigkeit der Änderung in der Verstärkung für höhere Versttfrkungseinstellungen größer ist als fUr niedrigere Verstärkungseinstellungen. Regelungen wie 752,

wie I

und Quadrierei'vorrichtungen (Multiplikatoren)/755 sind im "

Handel erhältlich. Der Ausgang der Quadriervorrichtung 755 kann entweder mechanisch oder elektrisch sein, Je nach der Art der Verstärkungsregelung 19 des Stellgrößengebers 20.

Die drei veränderbaren Verstärker 714, 724 und 724 sowie das Gleichstrombezufessignal am Eingang 753 werden am Anfang eingestellt, so daß, wenn die Regelkreisverstärkung den erwünschten Wert

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erreicht hat, das Ausgangssignal vom Verstärker 724 die Summe der Ausgangssignale von den Verstärkern 71^ und 73^· und des Gleiehstrombezugssignals am Eingang 753 vollständig ■ ausgleicht. Die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und sowie das Gleichstrombezugssignal am Eingang 753 werden so eingestellt, daß für Jede Störsignalklasse eine gewisse proportionale Verwandtschaft zwischen der Größe der Frequenzkompon«ten dieses Signals in jedem Band besteht.

Die weiter unten aufgeführte Tabelle erläutert, wie die Verstärkung in den Verstärkern 714, 724 und 734 sowie die Größe des Gleichstrombezugssignals am Hingang 753 ^die Form des Frequenzspektrums der Energie in den verschiedenen Klassen der Störsignale wiedergeben« Die Tabelle nennt die Größe der Frequenzkomponenten der zwei Störsignalklassen, die in dem gezeigten Ausfilhrungsbeispiel betrachtet werden. Außerdem nennt die Tabelle die Werte des Ubertragungsverhältnisses in den verschiedenen Frequenzbändern (a) wenn das System im erwünschten Verstärkungszustand LK-2 arbeitet (d. h., wenn das System abgestimmt ist), und (b) wenn das System im Verstärkungszustand LK-3 arbeitet, worin die Kreisverstärkung höher ist als erwünscht.

Die in der Tabelle aufgeführten Zahlen sind nur Beispiele. Für jedes besondere System kann der Wert der verschiedenen Parameter, wie beispielsweise der Verstärkung, analytisch bestimmt werden, wenn genügend Informationen über das System und über die Kenn-

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linien der Störung vorhanden sind. Mn Verfahren zur Erstellung der verschieatnen Parameter unter der Annahme, daß nur ein minimaler Betrag analytischer Informationen vorhanden ist, wird später gegeben.

Der wichtigste Punkt, der mittels der folgenden Tabelle aufgezeigt wird, ist, daß die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 734 und die Uröße des üleichstrombezugssignals am Eingang 755 so eingestellt werden, daß, wenn das System sich im abgestimmten Betrieb befindet und wenn Störsignale in das System eingeführt werden, die von der öummiersuhaltung 751 erzeugte Summe null ist. Außerdem zeigt die T&belle, daß, wenn das System sich in einem Verstärkungszustand befindet, der nicht der gewünschte Wert ist (ä. h., wenn das System nicht abgestimmt ist), die von Schaltung 751 hervorgebrachte Summe einen Wert hat, der nicht null beträgt.

Die Zeilen 1 bis 7 der folgenden Tabelle geben Werte für die verschiedenen Parametern an. Die Größen der resultierenden Ausgangssignale der Kanäle 710, 720 und 720 Bind in den ersten drei Spalten der Zeilen 1j5, 16 und I9 aufgeführt. Die Größe der Ausgangssignale von jedem der Kanäle 710* 720 und 730 kann als das Produkt aus der Größe der zugeordneten Frequenzkomponenten von einem Störsignal, dem Übertragungsverhältnis bei der zugeordneten Frequenz und der Verstärkung des zugeordneten Verstärkers angesehen werden. Dabei sind verschiedene Konstanten vernachlässigt, welche den vorgenommenen Vergleich nicht be-

909838/0544 ^s;" ~' ^;>L "*

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einträchtigen. Das Ergebnis des von Schaltung 751 vorgenommenen Vergleiches wird in der vierten Spalte der Zeilen 13, 16 und 19 gegeben.

■;-.:"—'vAL

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909838/05U

Frequenzband

Größe der Störsignale 1. Klasee

Größe der Störsignale 2. Klasse

Ubertragungsverhältnio bei erwünschter Regelkreisverstärkung (LK2)

Übertragungsverhältnis bei zu hoher Regelkreisverstärkung (LKJ)

Verstärker

Verstärkung der Verstärker

Störsignale Verstärkung bei LK2

Störslgnale Verstärkung bei LK2

Störsignale Verstärkung bei LKJ

• Ubertragungsverhältnis für Störsignale 1. Klasse

• Ubertragungsverhältnis für Störsignale 2. Klasse

• Ubertragungsverhältnis für Störsignale 1. Klasse

W1 - W2 WJ- W4 50 10 5 10

η

280

28Ο

400

W5 - W6
0

2	20	1	Durch SummierschAltung 751 erzeugte Sümmenl. (Größe des Gleichstrombezugssignals « 20)	I ro
714	724	724		Vj4 I
2.6	2	7.98

259.4

- 120

<D Ci-

'Im folgenden wird beschrieben, wie die verschiedenen Parameter in der adaptiven Steuervorrichtung 19 gewählt werden können. Die wichtigen Parameter, die zu wählen sind, sind χ , erstens die B'requenz-bänder für die Bandpassfilter 711, 721 und 721, und zweitens die Verstärkung der'Verstärker 714, und 734, und die Größe des Gleichstrombe'zugssignals am Eingang 75J5. Die anderen Parameter, wie die Schwellwerte für die Schaltungen 71J, 723 und 733 und die Kennlinien der Zwei-Mode-Regelung 752 sind ni«ht kritisch. Diese Parameter, durch die die Leistung der Regelung optimal eingestellt werden kann, können durch Versuche bestimmt werden.

Die Frequenzbänder der Bandpassfilter ¹JH, 721, 731 und die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 7354 können dadurch gewählt werden, daß das Hauptsystern (Anlage 10, Vergleichseinrichtung 18 und Stellgrößengeber 20), ohne die Verstärkungeregelung 19 betrieben wird. Das System muß auf konventionelle Weise abgestimmt und in einem abgestimmten Verstärkungszustand betrieben werben. Während das System in einem abgestimmten Zustand arbeitet, kann die Stärke der Signale in verschiedenen Frequenzbändern bestimmt werden. Hierdurch können verstärkungsabhängige und verstärkungsunabhängige Bänder identifiziert werden. Außerdem können durch Prüfung des Wertes des Signalee in den verschiedenen Frequenzbändern die Verstärkungen der Verstärker 714, 724 und 734 und die Stärke des Gleichstrotnbezugssignals am Eingang 753 gewählt werden, so daß die Bedingung erfüllt wird, daß die von der Schaltung 751 gebildete Summe null

909838/05U bad original

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wenn das System abgestimmt ist. Es ist unwesentlich, wie der Stellgrößengeber 20 zu Anfang abgestimmt iat; er kann mittels jeder der gegenwärtig verwendeten Methoden abgestimmt werden. Wenn das System in Betrieb ist« wird das Ausganges lgnal der Schaltungen 710 und 7^0 fast völlig unabhängig vom Verstärkungszustand, in dem die Anlage arbeitet, während sich daa Auagangssignal des Kanals 7S0 Je nach der Verstärkung, in der sich das System befindet, verändert. Auf die- ' ae Weise verändert sich das Ausgangssignal der Schaltung 720, wenn das System zu einem anderen Arbeitspunkt überwechselt und ä die Hegelkreisverstärkung des Systems sich ändert. Die Ausgangssignale der Kanäle 710 und 750 bleiben jedoch im wesentlichen konstant. Wenn das System zu einem anderen Verstärkungszustand überwechselt, gibt die Summlerschaltung 751 ein Signal ab, das die Zwei-Mode-Regelung 752 aktiviert und dadurch die Verstärkung des Steilgrößengebers 20 einstellt, so daß die gesamte Regelkreisverstärkung des Systeme auf den gewünschten Wert gebraeht wird.

Die in Fig. 6 gezeigten Blöcke wurden bis Jetzt als tatsächliche Bestandteile zur Durchführung des erläuterten Verfahrens beschrieben. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, kann das erfindungsgemäße Verfahren Jedoch aueh mit Hilfe einer programmgesteuerten Rechenmaschine durchgeführt werden. Aufeinanderfolgend empfangene Signale, welche die Groß« des

BAD Cr₁^)M

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Feh Jar-Signals anzeigen, e om werden zur Rechenmaschine/! mittels eines Analog-Digitalwandlers übertragen, und so empfängt die Rechenmaschine lediglich periodisch digitale Signale, die den Wert des Fehler-Signals anzeigen. Die Rechenmaschine verarbeitet diese Digitalsignale und führte die Funktionen aus, die in.dem Blöcken " in Flg. 5 und 6 erläutert werden. Die Rechenmaschine gibt Digitalsignale ab, durch die die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 eingestellt werden können.

Die Verstärkung <S#4s Stellgrößengebers 20 kann entweder direkt durch Digitalsignale oder durch Analogsignale gesteuert werden, die in einem Analog-Digital-Wandler erzeugt werden. Das analoge Signal kann auch eine mechanische Verstärkungseinstellung antreiben.

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Um die verschiedenen Schritte durchzuführen, die durch die Kästohen in Fig. 6 gekennzeichnet sind, und um auf diese Weise die im Blockdiagramm in Pig. 5 erläuterte Methode anzuwenden, führt eine Digital-

Rechenmaschine eine große Anzahl von sehr einfachen Vorgängen aus, wie beispielsweise Addition, Subtraktion, usw. Diese Rechenoperationen sind jedooh in solcher Reihenfolge aufgeführt, daß sie die in Fig. 5 gezeigten Schritte ergeben.

In Fig. 8 ist gezeigt, wie die drei Filter durch zwei Filter ersetzt werden können, von denen das erste ein Durchlaßbereich von der Frequenz f null bis zur Frequenz W7 hat und das zweite ein Durchlaßbereich von der Frequenz null bis zur Frequenz W8. Drei Signale, die als Digital-Zahlen ausgedrückt werden, geben die Größe der Signale der drei simulierten Filter an. Das erste Signal, das dem AusgangsSignal von Filter 711 entspricht, hat einen Frequenzbereich von der Frequenz null bis zur Frequenz WT- Das zweite Signal, das dem Ausgangssignal von Filter 721 entspricht, wird durch die Subtraktion des Ausgangssignals des ersten Filters vom Ausgangesignal des zweiten Filters gebildet; sein Frequenzbereich reicht von der Frequenz W7 zur Frequenz W8. Das dritte Signal, das ungefähr dem Ausgangs8ignal von Filter 731 entspricht, wird durch Subtraktion des Ausgangesignals des zweiten Filters (Durchlaßbereich B) vom Gesamtsignal gebildet, es umfaßt alle Frequenzen oberhalb der Frequenz W8. Natürlich haben die Signale mit extrem hohen Frequenzen keine Wirkung, da diese Frequenzen von der Schaltung im Analog-Digital-Wandler ausgefiltert werden.

BAD OnJGi

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_t Die in den aufgeführten Aueführungsbeiepielen gezeigten Verstärker waren alle begrenzte lineare Verstärker. Für schwierigere Anwendungen könnten verschiedene andere Typen von niohtllnearen Verstärkern von Nutzen sein. Die Regelung, welche die Verstärkung kontrollierte, wird hier als eine Zwei-Mode-Regelung gezeigt mit einer Quadriervorrichtung an Ihrem Ausgang. Auch hier könnten Je nach der speziellen Anwendung andere nichtlineare Regelungen mit generalisierter Dynamik von Nutzen sein.

Die Anzahl der Kanäle zur Rekonstruierung der Größe des Störeignale in der Verstärkung kann wenn gewünscht erweitert werden. Wenn bei dem System eine große Anzahl von verschiedenen Störarten auftreten, ist ·β möglich, daß eine große Anzahl fron Kanälen notwendig 1st, um eine' relativ genaue Rekonstruktion des Störsignals zu erhalten, weiterhin 1st darauf hinzuweisen, daß, wenn eine Art Störsignale ein Frequenzspektrurn hat, das in der Hauptsache in einer Zone liegt, wo das Übertragungsverhalten is von der Verstärkung abhängt, die Parameter des Systems leicht auf bekannte Weise eingestellt werden können, und zwar so, daß die Zone, in welcher das Ubertragungsverhältnis des Systems von der Verstärkung abhängt, in eine andere Zone verlegt werden könnte*

Die hierin gezeigten Filter waren lineare Tiefpaß- und Bandpaßfilter. Natürlich können verschiedene Arten von linearen und nichtlinearen Filtern für bestimmte Anwendungetypen von größerem Nutzen sein. Hier wird die Erfindung in der Anwendung auf die Einstellung der Verstärkung der proportionalen Steuerung in dem Stellgrößengeber 22 gezeigt. Natürlich kann die Erfindung auch auf die Einstellung von verschiedenen anderen Regelungen in der HauptSteueranlage angewandt werden.

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Viele physikalische Anlagen weisen eine große Anzahl von Regelkreisen auf, die bis zu einem bestimmten Grad gekoppelt sind. Durch Anschluß einer Informationsmatrix, die von der vorliegenden Erfindung abgeleitet wurde, an jeden Regelkreis, können die Verstärkungen in den verschiedenen Regelkreisen vorteilhafter gesteuert werden als dadurch, daß lediglich die Information verwendet wird, die von einem geregelten Regelkreis erhalten wird.

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bad on:?:*:AL

Claims

Patentansprüche .

1. Regelverfahren für einen Regelkreis« dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Fehlersignals in einem Frequenzbereich ermittelt wird« In dem die Größe des Fehlersignals sowohl von der Regelkreisverstärkung als auch von der Größe des Störsignals abhängt, daß die Größe des Fehlersignals in wenigstens einem anderen Frequenzbereich ermittelt wird, in dem die Größe des Fehlersignals nur von der Größe des Störsignals abhängt und daß die Verstärkung des Reglers abhängig von den in den Frequenzbereichen gemessenen Größen des Fehlersignals derart geregelt wird, daß die Regelkreisverstärkung auf einem optimalen Wert gehalten wird.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

" der Regler aus einer Vergleichseinrichtung, der die Regelgröße und die Sollgröße zugeführt werden und die das Fehlersignal erzeugt und einem Stellgrößengeber besteht und daß die Verstärkung des Stellgrößengebers verändert wird.

BAD Cn

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3. Verfahren naoh Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Größe des Fehlereignale in dem Frequenzbereich, in dem dieses von der Regelkreisverstärkung abhängt und der ' Sunn· der Fehlersignale in den Frequenzbereichen, in denen diese nicht von der Regelkreisverstärkung abhängen, gebildet wird und daß die Verstärkung des Stellgröflengebera vermindert wird, wenn die Differenz positiv und erhöht wird, wenn die Differenz negativ ist.

4. Anordnung zur Durchführung eines der Verfahren naoh Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Filter zur Auseiebung der einzelnen Frequenzkomponenten vorhanden sind.

5. Anordnung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Ausgangesignalen der Filter die Absolutwerte gebildet, diese begrenzt und verstärkt werden.

6. Anordnung naoh Anspruch 4 oder 5, daduroh gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der Ausgangssignale der Filter zusammen mit * einem Gleichstrombezugesignal einer Summierschaltung zugeführt werden und daß das Ausgangssignal der Summierschaltung gegebenenfalls naoh Quadrierung dem Stellgrößengeber als Verstärkungsregelungssignal zugefUhrt wird.

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BAD

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7. Anordnung zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis j5, daduroh gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Filter in digitale Werte umgewandelt werden, dafl diese einen digitalen Rechengerät als Eingangsgrößen zugeführt werden und daß das digitale Rechengerät eine Reohengröße abgibt, die gegebenenfalls nach Digital-Analog-Wandlung die Verstärkung des Stellgrößengebers regelt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß drei Durchlaßbereiche bei niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen mit Hilfe von zwei Tiefpaßfiltern erzeugt werden,ιvon denen das eine den niedrigen und das andere den mittleren Frequenzbereich mit umfaßt und daß der Absolutwert des Fehleraignals direkt aus den AusgangsSignalen des Tiefpaßfilters, das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, gebildet wird, daß der Absolutwert des Fehlersignals des mittleren Frequenzbereiches aus der Differenz der Absolutwerte des Tiefpaßfilters, das den' mittleren Frequenzbereich mit umfaßt, und des Tiefpaßfilters das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, gebildet wird und daß der Absolutwert des Fehlersignals des oberen Frequenzbereichs aus der Differenz des Absolutwertes des gesamten Fehlersignäls und dem Absolutwert des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters, das den mittleren Bereich mit um» faßt, gebildet wird.

BAD ORH31NAL

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