DE19922314A1 - Verfahren zur Regelung eines Positionierantriebs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur robusten und selbsteinstellenden Regelung eines Positionierantriebs, der einen durch eine Regeleinrichtung (ARI) angesteuerten Antrieb (A) aufweist. Zur Regelung wird allein die Istposition (x) zurückgeführt. Es wird mit einem Fünfpunktglied (F) gearbeitet, das ein symmetrisches Verhalten für positive und Regelabweichungen (x¶d¶) aufweist Die Kennlinie (AL = f(x¶d¶)) des Fünfpunktglieds (F) wird selbsttätig adaptiert, abhängig von einem detektierten Überschwingungen der Regelung oder Unterschreiten des Losbrechmoments.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Positionierantriebs, der einen durch eine Regeleinrichtung angesteuerten Antrieb mit verstellbarem An­ triebsmoment aufweist.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-A1-196 35 979 bekannt. Dabei ist die Verwen­ dung einer Regeleinrichtung mit Fünfpunktglied vorgesehen, der eine erfaßte Stell­ geschwindigkeit zugeführt wird. Die erfaßte Stellgeschwindigkeit wird in der Einrich­ tung gewichtet und von einer Regelabweichung subtrahiert. Die Erfassung und Ver­ arbeitung eines Geschwindigkeitssignals erfordert einen gewissen Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Positionierantriebs anzugeben, bei dem keine Geschwindigkeitsrückführung benötigt wird. Die eingesetzte Regelungsstrategie soll eine Minimierung der Schaltspielzahl durch selbsttätige Anpassung im laufenden Betrieb verfolgen.

Diese Aufgabe wird durch ein Positionierverfahren mit den in Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei diesem Verfahren wird jeweils eine Kennlinie eines Fünfpunktgliedes gewählt und adaptiert in Abhängigkeit von einer ermittelten Regelabweichung zum Zeitpunkt des Antriebsstarts und vom erkannten Regelverhalten.

Neben einer automatischen Anpassung des Stellsignals, abhängig von der Abwei­ chung von einer Sollposition des Antriebs, und außer der Vermeidung einer Nachpa­ rametrierung wegen Alterung des Stellgliedes, Veränderungen der Prozeßrückwir­ kung oder Erhöhung des Losbrechmomentes, ermöglicht das Verfahren in vorteil­ hafter Weise eine Möglichkeit zur Diagnose und Meldung des Stellgliedzustands.

Die erreichte Minimierung der Schaltspielzahl bewirkt eine Reduktion der Materialbe­ anspruchung des Antriebes.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Regelkreis,

Fig. 2 die Kennlinie eines symmetrischen Fünfpunktglieds,

Fig. 3 eine Darstellung zum Großsignalverhalten, und

Fig. 4 eine Darstellung zum Kleinsignalverhalten einer Regeleinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einen Regelkreis mit einer Regeleinrichtung ARI und einem Antrieb A. Der Regeleinrichtung ARI ist über einen Eingang E ein Stellgrößenbefehl als Sollpo­ sition x_S zuführbar. Zur Bildung einer Regelabweichung x_d = x_S - x ist eine erfaßte Istpo­ sition x einer Additionsstelle Add zugeführt. Die Regelabweichung x_d ist Eingangs­ signal eines Fünfpunktglieds F, das als Ausgangssignal - beispielsweise für einen Ventilantrieb - einen "Auf"-Befehl BO oder einen "Zu"-Befehl BZ, sowie ein Ansteuer­ signal oder Drehmomenten-Signal AL zur Steuerung des Phasenanschnitts eines Thyristorstellers des Antriebs A bildet und dem Antrieb A zuführt. Der vorzugsweise als Kompakt-Stellantrieb ausgeführte Antrieb A enthält neben dem Thyristorsteller einen Drehstromasynchronmotor für einen Schrittbetrieb. Die Mindestdauer der Stellbefehle entspricht der internen Zykluszeit des Gerätes bzw. der Mindestdauer, um die Thyristoren zu löschen. Das Regelungsverfahren macht von der Möglichkeit Gebrauch, über einen Phasenanschnitt den Betrag des Antriebsmomentes zu redu­ zieren (Regler-Ausgang AL). Dieser Phasenanschnitt wird genau dann eingesetzt, wenn der Betrag der Regelabweichung einen bestimmten Wert (vgl. Fig. 2, oberer Ansprechwert AW2) unterschreitet. Die Stellgeschwindigkeit wird reduziert bzw. der Schlupf des Drehstrom-Asynchronmotors erhöht, um den Antrieb mit einer höheren Genauigkeit und ohne Überschwingen plazieren zu können.

Fig. 2 zeigt die Kennlinie AL = f(x_d) des verwendeten symmetrischen Fünfpunktglieds F (Fig. 1) mit Hysterese. Der Hysteresewert HYS kann in bekannter Weise als Para­ meter zur Verringerung der Schalthäufigkeit bei unruhiger Regelgröße vorgegeben werden. Das Verhalten des Fünfpunktglieds F wird nachstehend erläutert.

Ist der Betrag des Eingangssignals x_d des Fünfpunktgliedes F kleiner als ein festleg­ barer unterer Ansprechwert AW1, so werden in dieser toten Zone T_AW1 keine Regler­ befehle ausgegeben. Der Parameter AW1 gibt den Unempfindlichkeitsbereich an, innerhalb dessen die Regelabweichung als quasi Null angesehen wird und deshalb kein Schaltvorgang ausgelöst wird. Mit dem unteren Ansprechwert AW1 in Verbin­ dung mit einem ebenfalls festlegbaren oberen Ansprechwert AW2 wird ein Propor­ tionalbereich PB definiert, in dem der Antrieb mit einem reduzierten Antriebsmoment angesteuert wird (Phasenanschnittsteuerung).

Üblicherweise werden für den Phasenanschnitt Werte zwischen 0° und 120° ver­ wendet (180° entsprechen einer Halbwelle). Für den Wert des minimalen Drehmo­ ments entsprechend 120° Phasenanschnitt wird für das Signal AL 0 ausgegeben. Ohne Phasenanschnitt, d. h. 0° Phasenanschnitt, arbeitet der Antrieb mit maximalem Drehmoment (AL = 100%).

Der analoge Ausgang AL (Drehmoment) ist nur dann kleiner 100%, wenn das Ein­ gangssignal x_d des Fünfpunktgliedes Werte zwischen AW1 und AW2 besitzt.

Um ein Anlaufen des Antriebes auch bei kleinen Stellamplituden mit Phasenan­ schnitt sicherzustellen, sowie um ein Überschwingen zu vermeiden, sind zusätzliche Maßnahmen ergriffen, die in Fig. 2 als Parallelverschiebung der Kennlinie im Propor­ tionalbereich PB angedeutet und nachstehend als Großsignal- und Kleinsignalver­ halten näher beschrieben sind.

Durch Alterung des Antriebes oder aufgrund von Prozeßrückwirkungen kann sich der Betrag des Losbrechmomentes verändern. Mit zunehmender Alterung oder Ver­ schmutzung wird sich in den meisten Fällen der erforderliche Phasenanschnitt er­ niedrigen; dieses Verhalten kann dann zu Diagnosezwecken genutzt werden, indem beim Unterschreiten eines festzulegenden Wertes dies signalisiert wird.

Das Großsignalverhalten wird nachstehend anhand der Fig. 3 erläutert.

Unter Großsignalverhalten versteht man eine Positionierung, die links bzw. rechts vom oberen Ansprechwert AW2 beginnt (d. h. mit max. Drehmoment, AL = 100%). Beim Erreichen des oberen Ansprechwertes AW2 (hier von rechts kommend) wird das Drehmoment sprungförmig auf einen aktuellen oberen Großsignal-Drehmomen­ tenwert ALX2 reduziert. Anschließend wird das Drehmoment im Proportionalbereich linear bis auf einen aktuellen unteren Großsignal-Drehmomentenwert ALX1 verrin­ gert.

Die aktuellen Drehmomentenwerte ALX1 und ALX2 werden im Fünfpunktglied F festgelegt und in einem Bereich ALX1.1 bis ALX1.n bzw. ALX2.1 bis ALX2.2 adap­ tiert. Selbstadaption kann jeweils Erhöhung oder Verringerung des Wertes gegen­ über dem bisher aktuellen Wert bedeuten. Bei detektiertem Überschwingen der Re­ gelung werden die Drehmomentenwerte ALX1 und ALX2 mit einem ersten Korrek­ turfaktor K1 < 1, z. B. 0,9 multipliziert und als so adaptierte Werte für den nächsten Großsignal-Positioniervorgang vorgegeben. Falls der Antrieb A vor dem Erreichen der toten Zone T_AW1 stehen bleiben sollte, werden die Drehmomentenwerte ALX1 und ALX2 mit einem zweiten Korrekturfaktor K2 < 1, z. B. 1,1 multipliziert und für den nächsten Großsignal-Positioniervorgang vorgegeben.

Der im aktuellen Positioniervorgang stehengebliebene Antrieb wird nach-positioniert gemäß einem nachstehend als Kleinsignalverhalten beschriebenen Vorgangs.

Unter dem anhand von Fig. 4 erläuterten Kleinsignalverhalten wird derjenige Posi­ tioniervorgang verstanden, der aus dem Stillstand des Antriebes heraus im Propor­ tionalbereich PB beginnt. In diesem Bereich wird grundsätzlich mit einem eigenen, intern ermittelten Drehmomentenwert ALY gestartet. Das gilt sowohl für einen Still­ stand am Schluß eines Großsignal-Positioniervorgangs als auch bei einem sonstigen Start im Proportionalbereich PB.

Falls ein Stillstand vorliegt, wird zunächst das erforderliche Drehmoment zum Los­ brechen ermittelt. Anschließend wird das Drehmoment linear bis beispielsweise auf die Hälfte des Losbrechmomentes reduziert. Falls ein Überschwingen festgestellt wird, wird das minimale Drehmoment mit einem dritten Faktor K3 < 1, z. B. 0,9 multipli­ ziert.

Die Erhöhung des minimalen Drehmomentes zum Losbrechen wird nicht über einen festen Faktor < 1, sondern über einen Integrator ermittelt. Die Größe des Integra­ toreingangs kann dabei in Abhängigkeit der Regelabweichung x_d angepaßt werden. Der Ausgangswert dieses Integrators wird beim Detektieren des Losbrechmoments gespeichert und als Startwert für die nächste Positionierung im Kleinsignalverhalten herangezogen.

Diese Mechanismen zur Selbstadaption der Kennlinie im Proportionalbereich PB entsprechen ebenfalls einer Parallelverschiebung, wie in Fig. 4 durch die alternativen Kennlinien jeweils zwischen den oberen und unteren Werten ALY1.1 . . . ALY1.n und ALY2.1. . . . ALY2.n gezeigt ist.

Versuche haben gezeigt, daß eine Positioniergenauigkeit von mindestens 99,5% erreicht wird. Die beschriebenen Adaptionsmechanismen für das Groß- und Kleinsi­ gnalverhalten sind nach ca. 5 Positioniervorgängen abgeschlossen. Die Neuadaption erfolgt hierbei selbsttätig, falls sich das Antrieb- oder Prozeßverhalten signifikant än­ dert.

Falls im Groß- oder im Kleinsignalverhalten das automatisch ermittelte minimale Drehmoment einen bestimmten Wert, z. B. 50% überschreitet, kann diese Grenz­ wertüberschreitung zur Diagnose durch Signalisierung benutzt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung eines Positionierantriebs, der einen durch eine Regeleinrichtung (ARI) angesteuerten Antrieb (A) mit verstellbarem Antriebsmoment aufweist, wobei

• a) eine Sollposition (x_S) vorgebbar ist, eine Istposition (x) erfaßt und eine Re­ gelabweichung (x_d = x_S - x) als Differenz der Sollposition (x_S) und der Istpositi­ on (x) gebildet wird,
• b) die Regelabweichung (x_d) einem Fünfpunktglied (F) zugeführt wird, das ein symmetrisches Verhalten für positive und negative Regelabweichungen (x_d) aufweist, und dessen Kennlinie (AL = f(x_d)) zur Bildung eines von der Rege­ labweichungen (x_d) abhängigen Drehmomenten-Signals (AL) eine durch ei­ nen festlegbaren unteren Ansprechwert (AW1) der Regelabweichung (x_d) festlegbare tote Zone (T_AW1) im Regelabweichungsbereich von Null bis zum unteren Ansprechwert (AW1) aufweist, und einen durch den unteren An­ sprechwert (AW1) und einen oberen Ansprechwert (AW2) festlegbaren Pro­ portionalbereich (PB) hat, wobei
  den Ansprechwerten (AW1, AW2) zuordenbare Drehmomentenwerte (AL1, AL2) abhängig vom Wert der Regelabweichung (x_d) zum Zeitpunkt eines Starts des Antriebs (A) gebildet werden, und außerdem abhängig vom Re­ gelverhalten selbsttätig adaptiert werden, und
• c) das Fünfpunktglied (F), wenn die Regelabweichung (x_d) außerhalb der toten Zone (T_AW1) liegt, einen "Auf'-Befehl (BO) oder einen "Zu"-Befehl (BZ) zusätz­ lich zum Drehmomenten-Signal (AL) ausgibt, und die ausgegebenen Signale (AL und BO oder AL und BZ) zur Ansteuerung des Antriebs (A) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines Antriebsstarts bei einer Regelabweichung (x_d), die größer als der obere An­ sprechwert (AW2) ist, zunächst ein Drehmomenten-Signal (AL) ausgegeben wird, das einem Drehmomenten-Maximalwert (AL = 100%) entspricht, und sobald die Re­ gelabweichung (x_d) dem oberen Ansprechwert (AW2) entspricht, das Drehmomenten- Signal (AL) auf einen oberen Großsignal-Drehmomentenwert (ALX2) und im Propor­ tionalbereich (PB) linear weiter bis zu einem unteren Großsignal- Drehmomentenwert (ALX1) reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätige Adaption der unteren und oberen Großsignal-Drehmomentenwerte (ALX1, ALX2) dadurch erfolgt, daß bei detektiertem Überschwingen diese Werte (ALX1, ALX2) mit einem ersten Korrekturfaktor (K1 < 1, z. B. 0,9) oder bei eintretendem Stillstand des Antriebs (A) innerhalb des Proportionalbereichs (PB) mit einem zweiten Korrektur­ faktor (K2 < 1, z. B. 1,1) multipliziert werden, und als so adaptierte untere und obere Großsignal-Drehmomentenwerte (ALX1.1 bis ALX1.n, z. B. ALX1.4, und ALX2.1 bis ALX2.n, z. B. ALX2.4) der Regelung für den nächsten Großsignal-Positioniervorgang vorgegeben werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des oberen Großsignal-Drehmomentenwerts (ALX2) doppelt so groß gewählt wird, wie der Wert des unteren Großsignal-Drehmomentenwerts (ALX1).

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Fall eines Antriebsstarts bei einer Regelabweichung (x_d), die inner­ halb des Proportionalbereichs (PB) liegt, mit einer Drehmomenten-Kennlinie (AL = f(x_d)) gearbeitet wird, bei der den unteren und oberen Ansprechwerten (AW1, AW2) jeweils spezielle untere und obere Kleinsignal-Drehmomentenwerte (ALY1, ALY2) zugeordnet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätige Adaption der speziellen unteren und oberen Kleinsignal-Drehmomentenwerte (ALY1, ALY2) dadurch erfolgt, daß bei detektiertem Überschwingen der Regelung für den nächsten Kleinsignal-Positioniervorgang diese Werte (ALY1, ALY2) mit einem dritten Korrekturfaktor (K3 < 1, z. B. 0,9) multipliziert und als so adaptierte untere und obere Kleinsignal-Drehmomentenwerte (z. B. ALY1.4, ALY2.4) vorgegeben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fall, in dem das aktuelle Drehmomenten-Signal (AL) unter dem erfor­ derlichen Losbrechmoment liegt und infolgedessen ein fehlerhafter Stillstand detek­ tiert wird, oder falls ein Stillstand vor dem Erreichen des unteren Ansprechwerts (AW1, AWX1 oder AWY1) eintritt, mittels eines Integrators das aktuelle Drehmo­ menten-Signal (AL) so lange erhöht wird, bis das Losbrechmoment erreicht ist, und daß entsprechend angepaßte Drehmomentenwerte (ALX1, ALX2, ALY1, ALY2) für den nächsten Positioniervorgang gespeichert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des oberen Kleinsignal-Drehmomentenwerts (ALY2) doppelt so groß gewählt wird, wie der Wert des unteren Kleinsignal-Drehmomentenwerts (ALY1).

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Fehlermeldung erfolgt, wenn durch die selbsttätige Adaption ein vorgebbarer Drehmomenten-Wertebereich überschritten wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Funktionsglied (F) mit Hysterese verwendet wird.