DE2135045B2 - Anordnung zur digitalen regelung einer regelstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur digitalen Regelung einer Regelstrecke mit einem digitalen Regler, der mit einer bestimmten einstellbaren Tastfrequenz die Istwerte der Regelstrecke über einen Analog-Digital-Wandler abtastet und mit Hilfe von vorgegebenen Sollwerten in einem digitalen Rechner Steuersignale ermittelt, die über einen Digital-Analog-Wandler den Stellgliedern der Regelstrecke zugeführt werden.

Zur digitalen Regelung von Regelstrecken sind schon verschiedene Regelverfahren vorgeschlagen worden, die sich aber nur in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft einsetzen lassen. Bei einem dieser Verfahren, und zwar dem aus der Zeitschrift »Electronic« vom 23. März !964. Seite 49-55 bekannten und als DDC (direct digital control) bezeichneten Verfahren werden die Istwerte über einen Analog-Digital-Wandler abgetastet und zur Verarbeitung einem mit Sollwerten versehenen Digitalrechner zugeleitet. Dieser gleichzeitig für mehrere Rege'strecken eingesetzte und mit einem Spezialrechner ausgebildete Regler ermittelt dann mit Hufe eingegebener Algorithmen entsprechende Steuersignale, die über Digital-Analog-Wandler den Stellgliedern der zugehörigen Regelstrecke zugeleitet werden.

ίο Dieses Regelverfahren wird nach den Ausführungen der zuvor angegebenen Literaturstelle als Zwischenstufe auf dem Weg zur vollen digitalen Regelung angesehen, da der dort eingesetzte digitale Regler als Ersatz für mehrere Analog-Regler vorgesehen ist. Diese zunächst als Vorteil einzustufende Maßnahme stellt sich jedoch dann als Nachteil heraus, wenn der digitale Regler ausfällt. In einem solchen Störungsfall werden davon sämtliche Regelkreise betroffen, so daß hierdurch gegenüber Regelanordnungen, bei denen jeder Regelkreis seinen eigenen Regler besitzt, erhebliche Nachteile auftreten. Für Luftfahrzeuge und Flugkörper ist ein solches Regelverfahren völlig ungeeignet, da Sicherheitsgründe nidit nur einen Regler für jeden Regelkreis, sondern sogar Redundanz, d. h. Vermehrfachung der Regelkreise erfordern.

Unbefriedigend sind derartige digitale Regler auch in bezug auf ihren Aufbau und ihre Leistungsfähigkeit, denn zur Steuerung von Luftfahrzeugen und Flugkörper lassen sie sich praktisch nicht verwenden. Flugkörper und Luftfahrzeuge benötigen zu ihrer Steuerung in der Regel nichtlineare Regler, da sich ihre Reaktionen meistens nur als komplexe nichtlineare Funktionen beschreiben lassen. Ein digitaler Regler nach der eingangs genannten Literaturstelle könnte diese Aufgabe, wenn überhaupt, nur mit erheblichem Aufwand erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen über einen Analog-Digital-Wandler mit den Istwerten der Regelstrecke versorgten und einen digitalen Rechner aufweisenden Regler aus austauschbaren Bausteinen zur Anpassung an verschiedene Regelstrecken insbesondere bei einer nichtlinearen Regelung aufzubauen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der digitale Rechner einen Akkumulator aufweist, dem die abgetasteten Istwerte über einen Multiplexer und bestimmte, auf die Regelstrecke abgestimmte Koeffizienten von einem Koeffizientenspeicher zugeleitet sind, daß die im Akkumulator innerhalb eines Abtastintervalls ermittelten und zwischengespeicherten Anteile der Steuersignale beim Vorliegen aller Steuersignale über den Multiplexer und den Digital-Analog-Wandler den Stellgliedern der Regelstrecke zugeführt sind und daß im digitalen Rechner ferner eine alle Bausteine des Reglers beeinflussende Steuereinheit vorgesehen ist, die die Abtastung der Istwerte und die Schrittfolge bei der Ermittlung der Steuersignale bestimmt.

Die erfindungsgemäße Maßnahme hat den Vorteil, einen digitalen Regler leicht an die jeweiligen Bedingungen einer Regelstrecke anpassen zu können, da der Aufbau des Reglers aus Bausteinen ein Bausteinsystem mit leichter Austauschbarkeit der einzelnen Bausteine ermöglicht. Auf diese Weise kann ein Regler relativ einfach für den Einsatz nichtlinearer

t,5 Regelungen zugeschnitten werden. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Reglers gestattet auch, die einzelnen Bausteine in integrierter Schaltungstechnik herzustellen und damit Forderungen nach Gewichtsarmut

und geringem Volumen, welche besonders bei Luftfahrzeugen und Flugkörpern bestehen, zu erfüllen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich auch durch den Einsatz der Steuereinheit, welche die Kommunikation der Bausteine untereinander, insbesondere die Abtastung der istwerte und die Schrittfolge bei der Ermittlung der Steuersignale steuert. Dadurch brauchen die einzelnen Bausteine des Reglers nur auf ihr? jeweilige Aufgabe zugeschnitten zu werden, wodurch ihr jeweiliger Aufbau vorteilhaft beeinflußt wird.

Vorteilhaft ist es, den Koeffizientenspeicher als Festwertspeicher auszubilden, da sich hierdurch die fest vorgegebenen Koeffizienten und Grenzwerte störsicher speichern lassen.

Der Multiplexer, der die Aufgabe hat, die verschiedenen Signale, die zweckmäßigerweise im Dualcode übertragen und verarbeitet werden, in bestimmter Folge dem Akkumulator zuzuführen, dient gleichzeitig dazu, errechnete Zwischenwerte und die Steuersignale für die Stellglieder wortmäßig zu begrenzen. Damit kann unter anderem sichergestellt werden, daß das einzelne Stellglied nur innerhalb eines bestimmten zulässigen Bereiches verstellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen digitalen Regelkreis als Blockschaltbild mit einer Regelstrecke 1 und einem digitalen Regler 2. Der digitale Regler 2 enthält einen Akkumulator 3, der mit entsprechenden Rechenwerken ausgerüstet ist. Neben dem Akkumulator 3 weist der digitale Regler 2 eine Steuereinheit 4, einen Koeffizientenspeicher 5 und einen Multiplexer 6 auf, wobei der Akkumulator 3, die Steuereinheit 4 und der Koeffizientenspeicher 5 einen digitalen Rechner 9 bilden. Die Steuereinheit 4 sicuert die Abtastung der Istwerte und die Schrittfolge bei der Ermittlung der Steuersignale. Zu diesem Zweck sind entsprechende Verbindungen vorgesehen, die von der Steuereinheit 4 zu den einzelnen Bausteinen führen. Die Abtastung der Istwerte erfolgt sukzessive über einen mit einem analogen Multiplexer versehenen Analog-Di- 4ü gital-Wandler 7, der von der Steuereinheit 4 entsprechend gesteuert wird. Auch die Steuersignale vom Multiplexer 6 werden über einen durch die Steuereinheit 4 entsprechend gesteuerten und mit einem Dekommutator versehenen Digital-Analog-Wandler 8 den Stellgliedern der Regelstrecke 1 zugeleitet. Dem Multiplexer 6, dem die digitalen Istwertsignale zugeleitet sind, sind weiter der Sollwert, die Koeffizienten vom Koeffizientenspeicher 5 und das im Akkumulator errechnete Steuersignal zur Überprüfung und Weiter- so leitung zugeführt. Die Koeffizienten vom Koeffizientenspeicher 5, der ebenfalls von der Steuereinheit 4 gesteuert wird, sind gleichzeitig dem Akkumulator 3 zugeleitet. Die Abtastung der Istwerte und die Zuführung der Steuersignale für die Stellglieder der Regelstrecke 1 braucht nicht unbedingt über Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandler zu erfolgen, denn es ist grundsätzlich möglich, die Istwerte digital zu erfassen und Stellglieder mit digitalen Steuereingängen zu verwenden. ω

Auch der Sollwert braucht nicht unbedingt dem Multiplexer 6 zugeleitet zu werden. Für verschiedene Zwecke, zum Beispiel für die Steuerung von Flugkörpern, ist es zweckmäßig, mit dem Sollwert eine entsprechende Änderung der Koeffzienten im Koeffi- t» zientenspeicher vorzunehmen. In diesem Fall bedeutet die Vorgabe des Sollwertes keinen absoluten Wert, zum Beispiel die Flughöhe, sondern es wird »Steigen« oder »Sinken« kommandiert und beim Erreichen einer gewünschten Höhe ein neuer Sollwert für die Höhenhaltnng eingestellt. Diese Möglichkeit ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gestrichelt angedeutet.

Der Ablauf eines Regelvorganges geschieht folgendermaßen:

Angenommen, durch Störungen, die auf die Regelstrecke 1 eingewirkt haben, oder durch neu kommandierte Sollwerte besteht eine Abweichung zwischen !stund Sollwert. Die Steuereinheit 4, weiche die Auslösung, Kommandierung und die Koordination der Funktionsabläufe im Regler 2 bestimmt, steuert mit einer bestimmten auf die Regelstrecke 1 abgestimmten Tastfrequenz den Analog-Digital-Wandler 7 an, so daß die Istwerte digital am zugeordneten Eingang des Multiplexers 6 erscheinen. Der Multiplexer 6, dem gleichzeitig der Sollwert zugeleitet ist, erfaßt — gesteuert durch die Steuereinheit 4 — die eingehenden Signale und führt diese dem Akkumulator zu. Im Akkumulator 3 werden innerhalb eines Abtastintervalls nacheinander die Anteile für die Steuersignale ermittelt und zwischengespeichert.

Zur Errechnung dieser Signalanteile werden dem Akkumulator 3 vom vorzugsweise als Festwertspeicher ausgebildeten Koeffizientenspeicher 5 konstante Koeffizienten zugeleitet, die ebenfalls auf die Eigenart der Regelstrecke 1 bemessen sind. Je nachdem, ob der Regler 2 P-, PI-, PD-, PID- oder ein nicht lineares Verhalten aufweisen soll, werden entsprechende Signalanteile für das Steuersignal vom Akkumulator 3, dessen Schritte ebenfalls von der Steuereinheit 4 gesteuert werden, errechnet. Beim Vorliegen aller Signalanteile werden die Steuersignale dem Multiplexer 6 zugeleitet, der es notfalls wortmäßig begrenzt und dann über den Digital-Analog-Wandler 8 den Stellgliedern der Regelstrecke 1 zuführt.

Die Programmschritte zur Ermittlung der Steuersignale lassen sich hierbei durch einen in der Steuereinheit 4 vorgesehenen Festwertspeicher in vorteilhafter Weise bestimmen. Diese Maßnahme bietet auch die Möglichkeit, durch Austausch dieser Festwertspeicher die Programmschritte zu ändern und damit Anpassungen am Regler durchzuführen. Eine Anpassung des Reglers 2 kann auch durch Parallelschaltung mehrerer Bausteine, z. B. Akkumulatoren, Multiplexer und/oder Koeffizientenspeicher insbesondere für umfangreiche Regelkreise erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Regelanordnung zeichnet sich gegenüber den bekannten digitalen Reglern, wie bereits erwähnt, durch einige Vorteile aus. So kann die Regelanordnung aufgrund der Aufteilung in einzelne Bausteine als Bausteinsystem zur Realisierung verschiedener, vorzugsweise linearer und nichtlinearer Regelungen eingesetzt werden. Dabei ist es möglich, durch Anwendung der integrierten Schaltungstechnik Forderungen nach Gewichtsarmut und geringem Volumen gerecht zu werden, wodurch ein erfindungsgemäßer Regler auch für den Einsatz in Luftfahrzeugen und Flugkörper einsetzbar wird. Besondere Vorteile ergeben sich auch durch die Verwendung fest eingeprägter Programme und Koeffizienten im Koeffizientenspeicher 5 bzw. im Speicher der Steuereinheit 4, da hierdurch der Regler weitgehend störunempfindlich wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur digitalen Regelung einer Regelstrecke mit einem digitalen Regler, der mit einer bestimmten einstellbaren Tastfrequenz die Istwerte der Regelstrecke über einen Analog-Digital-Wandler abtastet und mit Hilfe von vorgegebenen Sollwerten in einem digitalen Regler Steuersignale ermittelt, die über einen Digital-Analog-Wandler den Stellgliedern der Regelstrecke zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Rechner (9) einen Akkumulator (3) aufweist, dem die abgetasteten Istwertsignale über einen Multiplexer (6) und bestimmte, auf die Regelstrecke (1) abgestimmte Koeffizienten von einem Koeffizientenspeicher (5) zugeleitet sind, daß die im Akkumulator (3) innerhalb eines Abtastintervalls nacheinander ermittelten und zwischengespeicherten Anteile der Steuersignale beim Vorliegen aller Signalanteile über den Multiplexer (6) und den Digital-Analog-Wandler (8) den Stellgliedern zugeführt sind und daß im digitalen Rechner (9) ferner eine alle Bausteine des Reglers (2) beeinflussende Steuereinheit (4) vorgesehen ist, die die Abtastung der Istwerte und die Schrittfolge bei der Ermittlung der Steuersignale bestimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmschritte zur Ermittlung der Steuersignale durch einen in der Steuereinheit (4) vorgesehenen Festwertspeicher bestimmt sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplexer (6) so ausgebildet ist, daß er wortmäßige Begrenzungen der Steuersignale durchführt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im digitalen Rechner (9) vorgesehene Koeffizientenspeicher (5) als Festwertspeicher ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im digitalen Regler (2) mehrere Multiplexer (6), Akkumulatoren (3) und/ oder Koeffizientenspeicher (5) parallel angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere zur Steuerung von Flugkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertsignale dem Koeffizientenspeicher (5) zu einer entsprechenden Änderung der zur Ermittlung der Steuersignale notwendigen Koeffizienten zugeleitet sind.