DE2510837C3 - Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken - Google Patents

Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken

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DE2510837C3 DE2510837A DE2510837A DE2510837C3 DE 2510837 C3 DE2510837 C3 DE 2510837C3 DE 2510837 A DE2510837 A DE 2510837A DE 2510837 A DE2510837 A DE 2510837A DE 2510837 C3 DE2510837 C3 DE 2510837C3
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Description

— daß das Sollwertsignal (w) dem Eingang der Strecke aus dem Totzeitglied (N) und dem Proportionalglied (/^zugeführt ist und
— daß ft;;s Sollwertsignal (w) mit dem Ausgangssignai des Reglers (R) zur Bildung der Steiigröße (y) für die Regelstrecke (S) additiv verknüpft ist.
2. Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit arbeitspunktabhängiger Verstärkung, bei der die Differenz H-es Istwertsignals und des Ausgangssignals einer aus einem Totzeitglied und einem Proportionalglied bestehenden Strecke einem Regler, insbesondere mit integralem Verhalten, zugeführt ist, wobei die Totzeit des Totzeitgliedes etwa d*f Totzeit der Regelstrecke entspricht, dadurch gekennzeichnet,
— daß das Soilwertsigr;al (> ) dem Eingang der Strecke aus dem Totzeitglied (N) und dem Proportionalglied ffyzugeführt ist,
— daß das Sollwertsignal (w), über einen ersten Funktionsgenerator (K. Ki) geleitet, mil dem Ausgangssignal des Reglers (R) zur Bildung der Stellgröße (y) für die Regelstrecke (S) additiv verknüpft ist und
— daß der erste Funktionsgenerator (K. K\) einen arbeitspunktabhängigen Verstärkungsfaktor (Vk) aufweist, derart, daß das Produkt aus dem Verstärkungsfaktor (V^) des ersten Funktionsgenerators (K. Ki) und dem Verstärkungsfaktor (W) der Regelstrecke fSJ einen wählbaren konstanten Wert ergibt, dem die Verstärkung (Vr) des Proportionalgliedes (P)der Strecke aus diesem Proportionalglied (P) und dem Totzeiiglicd (/^entspricht
3. Einrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (R) ein Modulationsglied (M) vorgeschaltet ist. welches das Eingangssignal des Reglers (R)mit dem Verstärkungsfaktor (V*) des ersten Funktionsgenerators (K. Ki) moduliert.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 — 3 für eine Regelstrecke mit Verzögerungsglied, dadurch gckcnn/fivhnct, JaB die Differenz aus dem Ausgangs- und dem Eingangsignal des Totzcitglicdcs (N), über ein weiteres Proportionalglied (13) mit einstellbarer Verstärkung geleitet, zusätzlich mit dem Ausgangssignaides Reglers (R) additiv verknüpft ist.
5. Abänderung der Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter Wegfall des dem Regler (R) vorgeschalteten Moclulationsgliedes (M)&λ$ Soll- und das Istwcrtsignal dem Regler (R) über je einen weiteren Funktionsgenerator
(K2 bzw. Kz) zugeführt sind, wobei die Kennlinien der weiteren Funktionsgeneratoren (K2. Ki) mit der des ersten Funktionsgenerators (K, Ki) möglichst gut übereinstimmen.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 für Regelantriebe mit einem netzgeführlen Stromrichter als Stellglied, dadurch gekennzeichnet daß der erste Funktionsgenerator (K) zwei im Gegenkopplungskreis eines vom vorgegebenen Stromsollwert beaufschlagten Verstärkers großer Leerlaufverstärkung (14) hintereinander angeordnete Multiplizierer (15,16) enthält und rwischen den Multiplizierern das für den Divisoreingang eines als Modulationsglied (M) dienenden Quotientenbildners bestimmte Modulationssignal abgegriffen ist (F i g. 4).
Die vorliegende tninaung Dezient sicn aui eine einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.
Eine derartige Einrichtung bildet einen Teil einer aus der Zeitschrift »Messen. Steuern. Regeln« 12 (1969), Heft 5. Seite 182 bis" 184 und Heft 6. Seite 252 bis 254 bekannten Prädiktorregelung. Dort ist das Totzeitglied in einem störgrößenfreien Rcgelstreckenmodell angeordnet, das zur Identifizierung der Störgröße verwendet wird, welche dann über einen Prädiktor geführt und dem gleichfalls über einen Prädiktor geführten Sollwert in umgekehrter Richtung aufgeschaltet wird. Das sich hierbei ergebende Summensignal bestimmt über ein Steuerungsglied, welches die inverse Nachbildung des totzeitfreien Regelstreckenteils enthält, die Stellgröße. Bei dieser bekannten Einrichtung werden nur die von der Störgröße herrührenden Einflüsse mittels einer Regelung beseitigt, während düs Fühiu.igsverhiillen. d. Ii die Reaktion der Stellgröße auf Sollwertänderungen.
durch eine reine Steuerung bestimmt ist. welche /war unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Slörgrößcnregeikreises dimensioniert werden kann, eine Korrekturmöglichkeit für den Fall, daß die Regelgröße nicht dem vorgegebenen Sollwert folgt bzw. diesen erreicht, mangels eines Vergleichs zwischen Sollwert und Regelgröße nicht ermöglicht. Abweichungen, insbesondere betriebsbedingter Art. zwischen Regelstrecke und ihren im Regler verwendeten modellmäßigen Nachbildungen müssen daher zu unvermeidbare 1 und zum Teil irreparablen Abweichungen zwischen Sollwert und Regclgrü-C-führen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten f-inrichtung ist darin zu sehen, daß die Struktur der verwendeten, relativ aufwendigen Prädiktorcii jeweils dem Charakter der von ihnen vorherzusagenden Signale an gepaßt werden muß und diese Prädiktoren eine exakte Vorhersage aus prin/ip'ellcn Gründen nicht realisieren können, was zu weiteren Fehlen, Anlaß gibt
Bei F.inrichtungcn ahnlich der eingangs genannten Art, wozu beispielsweise StromrichterrcgeUjngen geho
to ren, ist. es weiterhin gemäß der Zeitschrift »Technische Mitteilungen AEG-Telefunkcn« 61 (1971), Seiten 135—137, bekannt, mittels eines Funklionsbildncrs die Strom-Steuerwinkel-Kennlinie zu linearisicrcn und dem lückenlosen Strombercich anzupassen. Zwar hissen sieh damit arbeitspunktabhängigc Veränderungen der Regclslrcckcnverstärkung kompensieren, dem Einfluß der dem Stromrichter anhaftenden Totzeit kann durch diese Maßnahme jedoch nicht begegnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache, problemlose Einrichtung der eingangs genannten Art mit großer Regelgenauigkeit zu schaffen, bei welcher die Anregelzeil auf ein Minimum verkürzt wird sowie bleibende Regelabweichungen und unnötige Reglerbefehle vermieden werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 odcr2geKcnnzeichneten Merkmale.
Grundgedanke der Erfindung ist es also, das Stellglied mit dem Sollwertsignal vorzusteuern und nach Sollwertänderungen die Regelung erst nach Ablauf der Regelslreekentotzeil einsetzen zu lassen. Der bei richtig angepaßter Vorsteuerung nur noch zum Ausregeln von Störgrößen in Aktion tretende Regler steht jedoch bereit, um infolge beispielsweise betriebsmäßig verursachter Fehlanpassung dieser Vorsteuerung nach Ablauf der Tot/eil korrigierend im Sinne einer Beseitigung einer daraus remitierenden Regelabweichung einzugreifen.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Erfindung sind totzeitbehaftete Stromrichterregelungen, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift »Technische Mitteilungen«. AEG-Telefunken 59 (1969), Seite 348 bi 352 beschrieben sind. Dort wird ein Stromrichterstellglied ausschließlich vom Ausgangssignal eines Stromreglers beeinflußt. Daher wird die Zeit, nach welcher eine SoII-wertveränderung in einer entsprechenden Veränderung am Rcgclstrcckcnausgang resultiert, maßgeblich mitbestimmt vom Zeitverhalten des Stromreglers. Es ergeben sich mit dieser Einrichtung Anregelzeiten, welche ungefähr das sechsfache der mittleren statistischen Totzeit des Stromrichters betragen.
In dem prinzipiellen Blockschaltbild der F i g. 1 ist mit •V die Regelstrecke bezeichnet, welche auch das nicht dargestellte Stellglied umfassen und insgesamt den Verstärkungsfaktor V1 und die Totzeit 7Ό aufweisen möge. Zwischen der Eingangsgröße y der Regelstrecke 5 und ihrer Ausgangsgröße Ar besteht allgemein die Beziehung
V1 = — . Für den Fall, daß /wischen χ und y ein nichtlinearer Zusa .lmcnhung entsprechend der Kennlinie a = A1 (y) besteht, wird die Streckenverstärkung V1 = -p = A1 ß^arbeitspunktabhängig. Dies sei für die folgenden Betrachtungen angenommen.
Das Stellsignal y für die Regelstrecke setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: Der eine bc.'eht in dem Ausgangssiynal b eines Funktionsgenerators K. welcher eiiigungsseilig vom Sollwcrtsignal v, beaufschlagt wird. Aufgabe dieses Funktionsgenerators ist es, die arbeits· punkiiibhangigc Rcgelstrtjkcnverstärkung V, zu kompensieren. Er weist daher den ebenfalls arbeitspunktabhängigen P: ;>portionalverstärkungsfaktor V4 auf. welcher so gewählt ist. daß das Produkt V4 · V1 für jeden Arbc-itspunkt einen wählbaren, konstanten Wert V, ergibt. Die von dem funktionsgenerator zu realisierende I iinkliiin /wischen seiner Eingangsgröße w und seiner Ausgangsgröße b — also seine Kennlinie — ergibt sich clahiT .ms der Beziehung
» γ -Uh)
und für den Proportionalverstärkungsfaktor V* gilt dann
κ =
AL
Realisiert werden kann ein derartiger Funktionsgenerator mittels an sich bekannter Operationsverstärker, in deren Rückkopplungs- oder Eingangskreisen mit unterschiedlichen Spannungen vorgespannte Schwellwertdioden angeordnet sind.
Der zweite Anteil des Stellsignals y besteht im Ausgangssignal eines Reglers R. welcher eingangsseitig in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem über eine Totzeitnachbildung N geführten und über ein Proportionalglied P mit der Verstärkung Vr verstärktem Sollwertsignal w und dem Istwert λ der Regelgröße beaufschlagt wird. Die Totzeit T des Totzeitgliodes N entspricht etwa der Totzeit der Regelstrecke S. seine Verstärkung beträgt 1. Auf eine sprunghafte Veränderung seines Eingangssignals hin weist also nach Ablauf der Totzeit sein Ausgangssignal den gleichen Wert wie sein Eingangssignal auf. Die gerätetechnische Realisierung eines Totzeitgliedes kann in an sich bekannter Weise entweder mittels einer LC-Kette aus genügend vielen Gliedern oder mittels eines A'!paßnetzwerkes.
2Q einer sogenannten Pade-Näheruri**. frr.-ol^en. Um such in der den Regler enthaltenden RegHschleife eine konstante Regelkreisverstärkung sicherzustellen und so für einun bei allen Arbeitspunkten optimal angepa3ten Regler zu sorgen, ist es zweckmäßig, im Eingangskreis des Reglers R ein Modulationsglied M, beispielsweise in Form eines Multipli/ierers. anzuordnen und das Eingangssignal des Reglers R mit dem Verstärkungsfaktor Vt des Funktionsgenerators zu modulieren. Auf diese Weise arbeitet der Regler R stets in einem Regelkreis mit der konstanten Verstärkung V1-= Vt · V1.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ergibt sich folgende Wirkungsweise:
Durch den Funktionsgenerator K wird das statische Übertragungsverhalten der Regelstrecke 5 kompensiert. so daß die Regelgröße χ einen Sollwertbefehl, bzw. einer Sollwertveränderung in der kürzest möglichen Zeit, welche durch die Totzeit 7ö der Regelstrecke S bestimmt ist, folgt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Regelungen, bei welchen das Sollwcrtsignal erst einen Regl r durchlaufen muß. um am Stelleingang der Regelstrecke wirksam werden zu können, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung bedeutend verkürzte Anregelzeiten. Der Regler R wird nur noch zum Ausregeln der Regelabweichungen benuut. welche sich durch die auf die Regelstrecke 5 wirkende Störgröße c ergeben. Solange sich die Störgröße c nicht ändert, stimmt das Ausgangssignal der Tol/citnachbiklung mit der Regelgröße überein. Bei Änderung der Störgrößen weicht die Regelgröße ν zunächst von dem Ausgangssignal v/ des Proport'unalgliedes P ab. was aber durch den Regler R wieder ausgeregelt wird. Ändert sich das S'gnal u. so ändert sich dadurch nichts am Eingangssignal des Modulationsgliedes M, da die Folge einer Veränderung des Sollvvrtsignals tv sich mit gleichem Bctrag und um die gleiche Zeil verzögert am Ausgang des Proportionalgliedes Pund am Ausgang der Regclstrekke S bemerkbar macht. Nach Veränderung des Sollwertsignals w wird Liso vermieden, daß unnötige Regel befehle ausgegeben werden, welche dann nach Ablauf der Totzeit 7o wieder rückgängig gemacht werden müßten. Die erfindungsgemäße Anordnung ist di-her äußerst schwingungsarm und man erreicht mit ihr, daß das Führungsverhalten des Systems unabhängig von der Stabilitätsgrenze des Regelkreises und damit von der Optimierung des Reglers wird.
Fig.2 zeigt ein für die Ankerstromregelung eines von einem netzgeführten Stromrichter gespeisten Gleichstrommotors zugeschnittenes Ausführungsbei-
spiel der Erfindung. Der Gleichstrommotor 1 besitzt eine Feldwicklung 2, welche von einem konstanten Gleichstrom erregt wird. Die Stromrichteranordnung 3 weist für jede Stromrichtung des Ankerstromes /λ eine sechspulsige Brückenschaltung auf, deren steuerbare Ventile von einem Steuersatz 4 in der hierzu erforderlichen Reihenfolge zu dem jeweils durch die Stellgröße y vorgeschriebenen Zündzeitpunkt in an sich bekannter Weise gezündet werden. Typisch für den Stromrichter 3 ist eine Totzeit, die von der Phasenzahl des Stromrichters abhängig ist. Bekanntlich wird der Stromrichter durch eine Verschiebung der Zündimpulse gesteuert, so daß er der Veränderung des Stellsignals y erst dann folgen kann, wenn die nächste Zündung erfolgt. Die Totzeit des Stromrichters ergibt sich beim dargestellten Alisführungsbeispiel für Dreiphasenbetrieb mit 50 Hz
1 see
50 b
= 0.0033 see.
10
15
20
Dies ist diejenige Zeit, welche bei kleinen Änderungen vergehen kann, ehe eine Änderung der Eingangsgröße des Steuersatzes in eine entsprechende effektive Zündwinkeländerung umgesetzt wird. Zwischen der Eingangsgröße y und der Ausgangsgröße /. welche z. B. mittels eines im Ankersiromkreis angeordneten Gleichstromwandlers 5 gewonnen wird, besteht der in Fig. 3 dargestellte Zusa "menhang. welcher sich analytisch mittels der Beziehung / = Λ · y1 mit recht guter Näherung beschreiben läßt. Dabei ist h eine Proportionalitätskonstante. Wird beispielsweise beim Ausführungsbeispiel die konstante Verstärkung zwischen dem Sollwertsignal Γ und der Regelgröße ; zu Vr= 1 gewählt, dann ist zwischen der Ausgangsgröße b und der Eincranacar/SRp i* Hf»c FiinktinncCTian/iratrvrc ίέ Am Ριιη1/|ΐ/\η ο σ^σ- - · · —··■·-·—--—ο-··—·*-.«.- *~ *~.~ . «....-...U..
zu realisieren, welche die Umkehrfunktion zu der in F i g. 3 wiedergegebenen Funktion darstellt. Das an der Klemme 7 erscheinende Ausgangssignal b des Funktionsgenerators K wird einem Summierglied 8 zugeführt, welches eingangsseitig außerdem noch mit dem Ausgang^'ignal eines PI-Reglers R verbunden ist. Als Modulationsglied M für das Eingangssignal des Reglers R ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein Quoticntcnbildncr vorgesehen, dessen Divisoreingang mit der Ausgangsklemme 9 des Funktionsgenerators verbunden ist. Die an dieser Klemme auftretende Spannung entspricht dem Kehrwert der jeweiligen Proportionalverstärkung
eines Verzögerungsgliedes mittels eines PD-Gliedcs wird die Steuerspannung y nach einem Soüwcrtsprung für die Dauer der Totzeit um einen konstanten, von der Höhe des Sollwertsprungcs abhängigen Betrag je nach Richtung des Sollwertsprungs erhöht oder vermindert. Die Wirkung dieses Vorhalteeinflusses kann also nicht wie bei einem üblichen PD-Glied während der Totzeit wirkungslos verpuffen, sondern bleibt während der gesamten Dauer der Totzeit bestehen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird dies dadurch realisiert, daß in einer Vergleichsstufe 12 das Ausgangs- und das Hingangssignal des Totzeitgliedes N miteinander verglichen und über ein Proportionalglied 13 mit einstellbarer Verstärkung dem Addierglicd 8 zugeführt wird. Die Verstärkung des Proportionalglicdes 13 wird entsprechend der Ankerkreiszeilkonstanten eingeslelli. Auf diese Weise wird die Steuerspannung y proportional /ur Sprunghöhe und zur Zeitkonsianien des Verzögcrurigsgliedes verändert.
Mit der in F i g. 2 dargestellten Anordnung lassen sich die Anregelzeilen von Stromregelungcn mit StromrichtersteSlgliedern gegenüber den bisherigen Schaltungen um ein Vielfaches verkleinern, wobei sich herausgestellt hat, daß das Wegfallen der Streckenverzögerung im Lückbercich sich nicht nachteilig auf den Regelkreis auswirkt und deshalb an dessen Struktur nichts verändert weiten muß.
Jede der an den Klemmen 7 und 9 des Funktionsgenerator K abgegriffenen Spannungen muß in einem entsprechenden funktionsmäßigen Verhältnis zu dem jeweiligen Sollwcrtsignal /* stehen, welches von der Streckenkennlinie / = ft(y) abhängt. Anstatt hierfür nun zwei getrennte Funktionsgeneratoren zur Erzeugung dieser beiden unterschiedlichen Funktionen zu verwenden, ist in Fig.4 eine Ausführungsform dargcslellt. bei u/Ql/^hfkr man ίΉ!% ΟίΠΟΐΤ! ΟΪΠΕϊ^ΟΓϊ ΡΐίΓ^'!Οϋ£"ΰί!ΰΓ«ΙίϊΓ beide dieser Funktionen erzeugen kann, indem eine Mehrfachausnutzung seiner Bausteine erfolgt. Diese Ausführungsform besteht in einem Operationsverstärker 14, dessen Ausgangsgröße Ober zwei hintereinander angeordnete Multiplizierer 15 und 16 rückgekoppelt ist und welche mit seiner Ausgangsgröße beaufschlagt sind. Der Wert des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 14 wird in einem weiteren Operationsverstärker 17 durch das angegebene Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand zu Eingangswiderstand um den Faktor
uVh
vervielfacht, so daß an der Ausgangsklemme 7 das Signal
di*
55
des Funktionsgenerators K. Der Dividendeneingang des Modulationsgl-edes M ist mit dem Ausgang eines Vergleichsgliedes 11 verbunden, welches die Differenz aus dem Istwert der Regelgröße / und dem Ausgangssignal /*' des Totzeitgliedes iVbildet.
Die bisher beschriebene Anordnung gemäß Fig.2 entspricht der Anordnung nach Fig. 1. Da jedoch die Regelstrecke s beim Ausführungsbeispie! der Fig.2 auch noch eine durch die Ankerkreiszeitkonstante TA bedingte Verzögerung aufweist, sind zu deren Kompensation noch zusätzliche Maßnahmen vorgesehen. Anstelle der konventionellen Methode zur Kompensation
60 entsteht Es ist ein weiterer Operationsverstärker 18 vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Multiplizierers 15 mit dem Faktor
3-V/T
vervielfacht, so daß an der Klemme 9 ein Signal der Größe
65 entsteht, welches dem DivLsoreingang des Modulations glicdes Min Fig. 2zugeführt wird.
Anstelle den den Regler R enthaltenden Regelkreis mittels eines Modulationsglicdes in Form eines Multiplizierers oder eines Ouoticntenbildncrs zu linearisicren. kiiiin iiiich auf die Variante gemäß Fig. 5 zurückgegriffen werden. Zum Unterschied zu der Ausführung gemäß ■> der I·' i g. 1 wird hier das um Ausgang des Totzeitgliedes /Viibgtywinmene Sollwcrtsignal für ilen Regler Ii über einen Fuiiktion.sgcnera.sioi" Ki und das Islwerisignal χ über einen weiteren Funktionsgenerator Ks geführt. Die Kennlinien der Funktionsgeneratoren Λ'2 und Ki stimmen mit der des das Stellglied unmittelbar beaufschlagenden Funktionsgenerators K\ überein und stellen die Umkehrfunktion der Streckenkennlinie χ — h(y) dar. Durch den Einsatz der Funktionsgeneratoren K2 und Kj wird die Regelung linear. Die Ausführung gemaß F i g. 5 zeichnet sich durch die Verwendung einfacherer Bauelemente aus, es ist jedoch dafür zu sorgen, daü die Kennlinien der drei Furikiicüsgeneralorer. K-,, K2 und K\ möglichst gut übereinstimmen.
20
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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45
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65

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Regelung von totzeitbehafteten Regelstrecken mit arbeitspunktunabhängiger Verstärkung, bei der die Differenz des Istwertsignals und des Ausgangssignals einer aus einem Totzeitglied und einem Proportionalglied bestehenden Strecke einem Regler, insbesondere einem Regler mit integralem Verhalten, zugeführt ist, wobei die Totzeit des Totzeitgliedes etwa der Totzeit der Regelstrecke und die Verstärkung des Proportionalgliedes der Verstärkung der Regelstrecke entspricht, dadurch gekennzeichnet.
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