DE2600427B2

DE2600427B2 - Selbstanpassendes regelungssystem, das sich entsprechend den eigenschaften seines regelkreises auf eine optimale ausbildung selbsttaetig einstellt

Info

Publication number: DE2600427B2
Application number: DE19762600427
Authority: DE
Inventors: Walter Gockhausen Eicher (Schweiz)
Original assignee: Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1975-02-06
Filing date: 1976-01-08
Publication date: 1977-07-28
Also published as: GB1542523A; SE7601124L; JPS51126483A; DE2600427A1; CA1045683A; IE42264L; BE837977A; JPS6117003B2; DE2600427C3; FR2300363A1; AT343224B; NL165857C; NL7601100A; SE427221B; DK145438C; CH588734A5; FR2300363B1; ATA950375A; DK47976A; LU74001A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstanpassendes Regelungssystem mit einem Regler, in dem sich ein Eingangsaddierer zum Bilden der Differenz der Regelgröße und der Führungsgröße sowie eine Reglervorrichtung zum Bilden der Stellgröße aus dieser Differenz befinden, und mit einer im Regelkreis befindlichen Vorrichtung zum Begrenzen des Wertes der von der Regelstrecke erhaltenen Eingangsgröße, welche Vorrichtung einen Linearitätsdetektor ansteuert, der beim Auftreten eines nichtlinearen Verhaltens des Regelkreises ein Steuersignal erzeugt.

Die Theorie der Regelungssysteme ist wohlbekannt, jedoch sind die im nachstehenden verwendeten Bezeichnungen zur Klarstellung deren Bedeutung wie folgt zu definieren:

Die Regelgröße ist diejenige Größe, die auf einem Sollwert gehalten werden soll; sie ist die Ausgangsgröße ier Regelstrecke und eine Eingangsgröße dt-« Reglers. Eine Störgröße istjede Größe,.die irgendeinen Einfluß auf die Regelgröße hat, mit Ausnahme der Stellgröße. Die Stellgröße ist diejenige Größe, mit der man bewußt auf die Regelgröße einwirkt, um ■ den Einfluß der Störgrößen zu eliminieren; sie ist die Ausgangsgröße des Reglers und eine Eingangsgröße der Regelstrecke. Die Führungsgröße ist diejenige Größe, die den Sollwert der Regelgröße bestimmt; sie ist eine Eingangsgröße des- Reglers.' Die Regelstrecke ist derjenige Teil des Regelungssystems, in dem die Regelgröße erzeugt wird; die Stellgröße und eventuelle Störgrößen werden innerhalb der Regelstrecke algebraisch summiert und verarbeitet Der Regler ist derjenige Teil des Regelungssystems, in dem die Stellgröße erzeugt wird; die Führungsgröße, die Regelgröße und eventuelle Störgrößen werden innerhalb des Reglers summiert und verarbeitet Der Regelkreis besteht aus der Regelstrecke, dem Regler und den Verbindungen, welche die richtige Zuleitung der aufgezählten Größen bewerkstelligen; falls beispielsweise wegen unterschiedlicher physikalischer Beschaffenheit die Regelgröße nicht direkt als Eingangsgröße des Reglers verwendet werden kann, wird sie von einem im Regelkreis befindlichen Fühler in eine für den Regler geeignete Eingangsgröße umgewandelt; falls aus analogen Gründen die Stellgröße nicht direkt als Eingangsgröße der Regelstrecke verwendet werden kann, wird sie von einem im Regelkreis befindlichen Stellglied in eine für die Regelstrecke geeignete Eingangsgröße umgewandelt

Die Eigenschaften der Bestandteile des Regelkreises sind als gegebe« zu betrachten und weisen meist Unzulänglichkeiten auf, die entweder aus technischen Gründen auftreten oder durch die Betriebsbedingungen des Regelungssystems auferlegt werden. Letzteres ist beispielsweise der Fall, wenn aus betriebstechnischen Gründen die Regelgröße oder die Stellgröße Bedingungen unterworfen ist, die deren Wert oder deren Änderungen einschränken, wodurch die normalerweise linearen Kennwerte des Regelkreises nichtlinear werden.

Beispielsweise weist in einem Regelungssystem zum Richten eines Zielverfolgungs-Theodoliten in Azimut oder Elevation der offene Regelkreis normalerweise eine lineare Übertragungsfunktion auf; wenn aber der Strom in einem Antriebsmotor des Theodoliten einen Wert erreicht, der nicht überschritten werden darf, obschon die richtige Zielverfolgung einen höheren Strom erfordern würde, so wird im Regelkreis eine Vorrichtung zur Strombegrenzung wirksam, welche die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises nichtlinear werden läßt

In einem derartigen Regelungssystem, dessen offener Regelkreis je nach den Betriebsbedingungen eine lineare oder nichtlineare Übertragungsfunktion aufweist, ist es nicht möglich, mit einmalig festgelegten Kennwerten des Regelkreises eine in der ganzen nutzbaren Frequenzbandbreite des Regelungssystems optimale Gestaltung zu erzielen, d. h„ die Fehler der verschiedenen Zeitableitungen der Regelgröße (z. B. Positions-, Geschwindigkeits-, Beschleunigung»- und Stoßfehler) im gesamten nutzbaren Frequenzbereich nach Bedarf zu vermindern. Eine zugespitzte Anpassung des Regelkreises an das Verhalten des Regelungssystems zum Erreichen der kleinstmöglichen Regelfehler

im Bereich der tiefen Frequenzen führt zu einer Instabilität, sobald der Regelkreis und insbesondere der offene Regelkreis sich nicht mehr streng linear verhält, Unter solchen Umständen muß beim Optimieren des Regelkreises im Bereich der tiefen Frequenzen die möglicherweise auftretende größte Nichtlinearität berücksichtigt werden, wodurch im Normalfall des linearen Verhaltens ein Verlust an Präzision der Regelung entsteht, der zugunsten der Vermeidung der Instabilität in Kauf genommen werden muß.

Ein anderes Beispiel eines derartigen Regelungssystems ist die Regelung der Temperatur eines Körpers, wobei die Störgröße ein Wärmeabfluß und die Stellgröße ein elektrischer Strom ist, der dem Körper Wärme durch Joule-Effekt zuführt; in diesem System ist das Stellglied ein elektrischer Widerstand, in dem sich die Joule-Wärme entwickelt, und der dem System die Bedingung auferlegt, daß der Strom einen gewissen Wert nicht überschreiten darf, ansonsten der Widerstand durchbrennt Ein weiteres Beispiel eines gleichartigen Regelungssystems ist die Regelung des pH-Wertes einer Lösung, wobei die Störgröße eine pH-Erhöhung zufolge einer chemischen Reaktion und die Stellgröße ein elektrischer Strom ist der ein Ventil betätigt dessen öffnung den Zufluß einer Säurelösung bestimmt; in diesem System wird das Stellglied vom Ventil gebildet, und eine Nichtlinearität tritt ein, wenn der von der Leitung bedingte maximale Zufluß der Säurelösung erreicht wird.

Für diese oder gleichartige Regelungssysteme ist eine stabile Regelung unter allen Betriebsurnständen bei höchstmöglicher Präzision zu gewährleisten, insofern, daß die Optimierung des Regelkreises in bezug auf die Präzision der Regelung im Bereich der tieferen Frequenzen nicht durch die notwendige Berücksichtigung nichtlinearen Verhaltens des Regelkreises eingeschränkt wird.

Es ist bekannt, die Optimierung des Regelkreises in zwei getrennten Schritten vorzunehmen: Zunächst werden die Eigenschaften des Reglers an den Fall des linearen Verhaltens des Regelkreises angepaßt, derart, daß die beste dabei erreichbare Regelung erzielt wird; danach wird eine Korrekturvorrichtung vorgesehen, welche beim Auftreten einer Nichtlinearität im Regelkreis gewisse Parameter desselben modifiziert, derart, daß auch im Fall der höchstmöglichen Nichtlinearität die beste dabei erreichbare Regelung erzielt wird und insbesondere keine Instabilität auftritt.

Beispielsweise ist aus der US-PS 35 10 737 ein Regelungssystem für einen Positionierungsmotor bekannt, in dem die Eingangsgröße des Reglers in einen Niederfrequenzanteil und einen Hochfrequenzanteil zerlegt wird, und diese beiden Anteile im Regler getrennt zu je einem Anteil der Stellgröße verarbeitet werden, wobei im Fall des linearen Verhaltens des Reglers die Stellgröße &is der Summe der beiden Anteile gebildet wird. Im nichtlinearen Fall wird der Niederfrequenzanteil der Stellgröße gleich Null gesetzt, und es bleibt nur der Hochfrequenzanteil wirksam, wodurch das Überschwingen der Regelgröße reduziert werden kann. Bei dieser bekannten Lösung des Stabilitätsproblems ist nachteilig, daß sich die Stellgröße beim Wechseln vom linearen zum nichtlinearen hall oder umgekehrt sprunghaft ändert, was im Regelungssystem unerwünschte Beanspruchungen hervorrufen kann und zudem eine Umschaltung des Systems vom Anlauf im hand- oder rechnergesteuerten Betrieb auf den selbstgeregelten Betrieb erschwert. Im Moment des

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Schließens des Regelkreises kann nämlich die Übertragungsfunktion des Reglers einen von zwei möglichen Werten einnehmen, je nachdem, ob zuvor der offene Regelkreis im linearen oder im nichtlinearen Bereich betrieben wurde; daher ist die von Hand oder vom > Rechner bei offenem Regelkreis eingegebene Führungsgröße in ihrer Wirkung nicht eindeutig einer einzigen bestimmbaren Regelgröße äquivalent, die bei geschlossenem Regelkreis auf den Regler rückgekoppelt wird.

In der DT-OS 22 26 882 ist ein Verfahren zur Stabilisierung eines Regelungssystems vorgeschlagen worden, dessen Tendenz zur Instabilität auf der Nichtlinearität eines sättigbaren Bauteils beruht. Es wird dabei überwacht, ob Nichtlinearität stattfindet, und ι s es wird ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, daß eine Änderung des Regelkreises bewirkt. Diese Änderung besteht darin, daß beim Auftreten einer Nichtlinearität der Verstärkungsgrad der Rückkopplungsschleife angehoben wird, um eine Übertragungsfunktion zu ergeben, die das Regelungssystem wieder nahe an die Stabilitätsgrenze zurückbringt. In anderen Worten, die durch eine Nichtlinearität des Reglers verursachte Verminderung des Verstärkungsfaktors des Reglers im Bereich der niedrigen Frequenzen wird dadurch kompensiert, daß der Verstärkungsfaktor der Rückkopplungsschleife angehoben wird, wodurch am Eingang des Reglers die Summe der Führungsgröße und der Regelgröße reduziert wird und das Regelungssystem wieder nahezu stabil wird, weil der Regler wieder an der Grenze des Linearitätsbereiches betrieben wird. Bei dieser bekannten Lösung des Stabilitätsproblems ändert sich die Stellgröße zwar nicht sprunghaft, wenn das Regelungssystem vom linearen zum nichtlinearen Betrieb oder umgekehrt übergeht, weil die Stellgröße j.s bei Sättigung des Reglers konstant bleibt. Aber auch bei dieser Lösung verbleibt der Nachteil, daß eine sprunglose Umschaltung des Regelungssystems vom hand- oder rechnergesteuerten Betrieb auf den selbstgeregclten Betrieb nicht jederzeit gesichert ist, denn auch hier kann im Moment des Schließens des Regelkreises die Übertragungsfunktion zwischen der Regelgröße und der Stellgröße einen von zwei möglichen Werten einnehmen, je nachdem, ob zuvor der offene Regelkreis im linearen oder im nichtlinearen Bereich betrieben wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein Regelungssystem der eingangs genannten, z. B. aus der DT-OS bekannten Art die Optimierung des Regelkreises in bezug auf die

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eiWtid erfindungsgemäß dadurch, gelöst, wUoKefi^e'mBlngangiBdälererundder

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angimit dein Ausgang einer Zusatzvorrlchlen Ist, d{e' «us einer Anzahl /Vglelchirtlger, f.j 'ölge bildende* Integfatfonsitüfert ÜJesteht, Inen .Inteerator sowie einen Hllfsaddlerer Integrators über einen vom Steuersignal betätigbaren Steuerschalter verbunden ist, ferner dessen erster Eingang über einen ersten Multiplikator an den ersten Eingang des Zusatzaddierers und dessen zweiter Eingang über einen zweiten Multiplikator an den Ausgang des Zusatzaddierers angeschlossen ist. während der Ausgang des Integrators der in der Reihenfolge letzten Integrationsstufe den Ausgang der Zusatzvorrichtung bildet und bei den übrigen Integrationsstufen jeweils der Ausgang des Integrators einer bestimmten Integrationsstufe mit einem dritten Eingang des Hilfsaddierers der in der Reihenfolge nächstfolgenden Integrationsstufe verbunden ist.

Vorzugsweise sind in allen Integrationsstufen die Steuerschalter bei linearem Verhalten des Regelkreises in geschlossener Stellung. Bei nichtlinearem Verhalten des Regelkreises bewirkt das vom Linearitätsdetektor erzeugte Steuersignal das öffnen der Steuerschalter, wodurch alle zwischen Hilfsaddierern und Integratoreingängen bestehenden Verbindungen unterbrochen werden und auf dem Eingang jedes Integrators der Wert Null ansteht, dessen Integral auch Null ist. Am Ausgang jeder Integrationsstufe, d. h. am Ausgang der entsprechenden Integratoren, steht dann jeweils ein konstanter Wert an, welcher der als letzter vor dem öffnen der Steuerschalter anstehende Ausgangswert ist.

Damit wird erreicht, daß bei linearem Verhalten des Regelkreises die Differenz der Regelgröße und der Führungsgröße in der Zusatzvorrichtung verarbeitet wird, bevor sie der Reglervorrichtung zugeführt wird. Wie im nachstehenden erläutert wird, entspricht diese Verarbeitung der Wirkung eines Tiefpassfilters A/-ter Ordnung.

Bei nichtlinearem Verhalten des Regelkreises wird hingegen erreicht, daß die Wirkung der Zusatzvorrichtung ausfällt, wodurch der Regelkreis die nötige Anpassung zur Vermeidung der Instabilität erfährt, und daß im Moment des Ausfallens der Wirkung keine sprunghafte Änderung im Regelkreis eintritt, weil die letzte vor dem Ausfallen erzielte Wirkung als Konstante festgehalten wird. Dadurch, daß an allen Integratoren die letzten vor dem Einsetzen des nichtlinearen Verhaltens anstehenden Ausgangswerte festgehalten werden, bleibt zudem in der gesamten Zusatzvorrichtung eine Kombination von Ausgangswerten erhalten, die im Moment des Wiedercintrctcns des linearen Verhaltens, d. h. beim erneuten Schließen der Steuerschalter, eine bessere Kombination ist, als wenn alle Ausgangswerte auf Null sinken würden: Folglich wird

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deren jede einen Integrator sowie einen Hllfseddlerer enthait, desien Ausgang mit- einem Eingang des

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auch eine zusätzliche Phasendrehung derselben, die mi

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der erstgenannten Phasendrehung im Frequenzbereich nicht überlappen darf, ansonsten die Grenzfrequenz zu den tieferen Frequenzen hin verschoben wird, je höher die Wirkungsordnung N ist, um so steiler ist der Anstieg des Amplitudenfaktors, aber auch die Bandbreite und Stärke der störenden Phasendrehung: daher beruht die Optimierung des Regelkreises in bezug auf die Wirkungsordnung N der Zusatzvorrichtung auf einem Kompromiß, der von Fall zu Fall zu treffen ist. Beispielsweise ist in einem Regelungssystem zum Richten eines Zielverfolgungs-Theodoliien in Azimut oder Elevation die optimale Ordnung /V=2, obschon auch N=I und N- 3 Zusatzvorrichtungen definieren, deren Einsatz die Eigenschaften des Regelkreises verbessert.

Bei der Bestimmung der Multiplikationskoeffizienten ist vorerst die Variationsspanne des Amplitudenfaktors festzulegen: Zweckmäßigerweise wird dieser im Bereich der höchsten Frequenzen gleich 1 und im Bereich der tiefsten Frequenzen gleich dem erwünschten Wert gesetzt, wobei dieser Wert zur besseren Formulierung der Kalkulation als Bruch AnZB_n geschrieben wird. Der Index N entspricht der Wirkungsanordnung der Zusatzvorrichtung, die zu berechnen ist. Danach wird unter Benutzung der Laplace-Transformation die entsprechende Übertragungsfunktion eines Tiefpasses geschrieben und auf die Verarbeitung eines zeitabhängigen Signals x(i) zu einem zeitabhängigen Signal y(t) angewendet, wobei x(t) am ersten Eingang und y(t) am Ausgang des Zusatzaddierers anstehen.

Bei einer Wirkungsordnung N= 1 läßt sich schreiben:

3,(1 + A_lP) ^v"
wobei ρ der übliche Laplace-Operator ist. Daraus folgt: B₁ y(0 + A₁B₁ y(0 = A₁ x(0 + /I₁B₁ \(f)

Durch Auflösen nach y(t) und Integrieren mi·, der Feststellung, daß bei f=0 auch ){t)= x(t) gilt, ergibt sich:

_{v(() β xll) +} y|^__x(l)_^__y(l,j_dl

Wie aus dieser Formel ersichtlich ist, besteht die Zusatzvorrichtung erster Ordnung aus einer Integrationsstufe, und der Zusatzaddierer summiert den unverarbeiteten Wert .vCrjmii dem Ausgangswert dieser Integrationsstufe. In der Integrationsstufe werden der unverarbeitete Wert x(t) mit dem Koeffizienten l/öi und der verarbeitete Wert y(t) mit dem Koeffizienten - 1/Ai beaufschlagt, was in den jeweiligen Multiplikatoren erfolgt. Die Integration erfolgt auf die Summe der beaufschlagten Werte, die in einem Hilfsaddierer gebildet und einem Integrator zugeleitet wird.

Bei einer Wirkungsordnung /V= 2 ergibt sich in einer gleichartigen Berechnung:

A₂ ([ 4

A₁7)

P)

7) ^MP)

B₂ .V(O + Zt₁B_2-V(O + A₂B₂ y(t) = A₂ x(t) + A₂B₁X(D + A₂B₂X(D Ι«« ; V(O

A -.X(D- A

di)d(.

Daraus ist ersichtlich, daß die Zusatzvorrichtung /weiter Ordnung aus zwei Integrationsstufen besteht, von denen die letztere das Ergebnis der erstcren ^ verarbeitet. Es ist noch ersichtlich, daß die erstere Integrationsstufe mit derjenigen der Zusatzvorrichtung erster Ordnung identisch ist, wahrend die letztere

„Aufbau aufweist, die ja keine vorangehende lntegrationsstufc hat. Zudem sind die Koeffizienten, die den unverarbeiteten Wert x(t) in den verschiedenen Integrationsstufen beaufschlagen, der Reihenach

U B_n. B\t B_n. Bit B_n.... B s.-\l B_n-,

die Koeffizienten, die den verarbeiteten Wert y{i) in den

₄ beaufschlagen, sind

iüni lauteV "in der

Zusatzvorrichtung Uplace-Scfireibweliei

Die weitere Kalkulation Ut umsUndflcK und ergibt das zu erwartende Resultat, daO die Zusatzvorrichtung <-j N'itt Ordnung aus N lnwgratlonsstufen gleichartigen Aufbau» besteht« von denen jede das Ergebnis der vorangehenden verarbeitet, mit Ausnahme ütr ersten, "Γ" "Τ; Jft'iiT'\™ τ ι* vJ"Pi> 4Mi- ·Ζ

tuhg zweiter Ordtiungwlffl bei der¹,, _„ „ _„„

und Sj pudern dei erwünschte Verlauf de> Anstiegs d. Amplltudenfaktoh Über den entsprechenden Frtqueiv bereich berücksichtigt; bei höheren Ordnungen werde weitere Ableitungen dei Amplitudenfaktors über di

709630/:

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ίο

Frequenzbereich berücksichtigt.

Vorzugsweise ist der Steuerschalter als Umschalter ausgebildet, dessen gemeinsamer Pol mit dem Eingang des Integrators verbunden ist, während je einer der beiden übrigen Pole mit dem Ausgang des Hilfsaddierers bzw. mit der Quelle einer Null-Referenzspannung verbunden ist. Dadurch werden bei unterbrochener Verbindung zwischen dem Hilfsaddierer und dem Integrator die Einwirkungen eventueller Störspannungen auf einen nicht angeschlossenen Eingang des Integrators vermieden.

Einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Regelungssystems liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei nichtgeregeltem Betrieb der Regelstrecke, z. B. bei offenem Regelkreis und von Hand oder von einem Rechner eingegebener Führungsgröße, das Einschalten der Regelung durch Schließen des Regelkreises nur dann keinen Ausschlag der Regelgröße bewirkt, wenn in der Zusatzvorrichtung die richtigen Ausgangswerte am Ausgang jeder Integrationsstufe aufgebaut sind. Ein Fall eines solchen nichtgeregelten Betriebes tritt bei einem Zielverfolgungs-Theodoliten ein, wenn der Fühler das Ziel vorübergehend nicht erfaßt und ein Rechner die Führung übernimmt, bis der Fühler wieder funktionsfähig ist, was beispielsweise geschieht, wenn das Ziel eine Rakete ist, die mittels eines Infrarotfühlers erfaßt wird und vorübergehend hinter einem Gegenstand des Geländes verschwindet, beispielsweise hinter einem Berggipfel oder einem Gebäude. Ein anderer Fall eines solchen nichtgeregelten Betriebes tritt bei einem Raumschiff ein, wenn dessen Lage in bezug auf gewisse Sterne geregelt wird und diese vorübergehend von einem Teil des Raumschiffes verdeckt werden.

Bei offenem Regelkreis steht zum Aufbauen der Ausgangswerte in den Integrationsstufen der Zusatzvorrichtung die normalerweise vom Fühler gelieferte Eingangsgröße des Reglers nicht zur Verfügung. Die Führungsgröße ist willkürlich eingegeben, beispielsweise von einem Rechner; sie spiegelt nicht den Zustand des Regelungssystems wieder. Die Stellgröße entspricht lediglich der Führungsgrößc. Einzig die Regelgröße dürfte /.um Aufbauen der Ausgangswerte in den Integrationsstufen herangezogen werden, aber im betrachteten Fall wird sie vom Fühler entweder nicht erfaßt oder nicht als Eingangsgröße des Reglers verarbeitet und geliefert. Daher sind besondere Maßnahmen vorzusehen, um den gewünschten Aufbau der Ausgangswerte in den Integrationsstufen zu

Das Umschaltsignal wird beim Ausfall der Eingangsgröße des Reglers von einer entsprechenden Kontrollvorrichtung erzeugt, die beispielsweise am Fühler angeordnet ist und das Vorhandensein eines Signals aus dem Fühler überprüft. Auch beim Aufnehmen vom Handbetrieb wird das Umschaltsignal erzeugt, beispielsweise von einer Vorrichtung, die mit der für den Handbetrieb vorgesehenen Steuervorrichtung gekoppelt ist.

ίο Es ist hervorzuheben, daß der Fühler und der Zweitfühler nicht dieselbe Zeitableitung der Regelgröße abfühlen, und daß eben deswegen der Zweitfühler nicht gleichzeitig mit dem Fühler ausfällt. Beispielsweise wird vom Fühler eine Position und vom Zweitfühler eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung abgefühlt, was aufgrund verschiedener physikalischer Prinzipien

erfolgt und deswegen nicht auf dieselbe Störung anfällig

ist.

Zur Wahl der Multiplikationskoeffizienten wird

zunächst durch eine geeignete Wahl der Kennlinie des Zweitfühlers die Übertragungsfunktion des von der Reglervorrichtung, vom Stellglied, von der Regelstrekke und vom Zweitfühler gebildeten offenen Schaltkreises für den Fall einer konstanten Stellgröße gleich 1 gesetzt, worauf bei einer Zusatzvorrichtung A/-ter Ordnung der Multiplikationskoeffizient des der /-ten Integrationsstufe zugeordneten Zweitmultiplikators gleich (Ai- Bj)ZAn gewählt wird. Es versteht sich, daß das Resultat äquivalent ist, wenn es direkt mit

geeigneten Multiplikationskoeffizienten erreicht wird, ohne daß die Übertragungsfunktion zuvor gleich 1 gesetzt wird: Dabei wird aber die Analyse des erreichten Resultats erschwert, so daß nicht dieser an sich günstigere Fall im nachfolgenden beschrieben wird.

Auch wird vorerst nicht darauf eingegangen, daß Glättungsfilter und derartige Vorrichtungen am Ausgang des Zweitfühlers zweckmäßig sein können.

Bei Vorhandensein des Umschaltsignals ist der Zusatzaddierer vom Regelkreis durch die geöffneten

Regelkreisschalter abgetrennt. Dank der Wahl der Übertragungsfunktion ist die Ausgangsgröße am Zweitfühler gleich derjenigen Größe y(t), die bei geschlossenem Regelkreis am Ausgang des Zusatzaddierers anstehen würde und den gleichen Zustand des

•15 Regelungssystems hervorgerufen hätte. Diese Ausgangsgröße y(t) wird nach entsprechender Multiplikation auf die jeweiligen Ausgänge der in der Zusatzvorrichtung befindlichen Integrntoren eingegeben. Am

angeordnet, dessen ttegraiori Alls ___T _.. ZweltWiultlpl kätora und elites betätilbären Zweltschalters schließlich sind die vom S Steuerschalter auch vom L wobei das Umschaltsignal das Seh! tee und de» öffnen der Regelk'relsschalter bewirkt.

welcherjwf den Ausgang der AAten Imegratloneetufe eingegeben wird,

Bejnii j Aussetzen des Umschaltsignals wird der Zusa laddlerer an den Regelkreis angeschlossen. Bs wird hingegen die Eingabe das Jeweiligen Wertes

auf den Ausgang der Men Integratlonsstufe durch die

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Zweitschalter unterbrochen, diese jeweiligen Werte bleiben aber als Anfangswerte für die nun einsetzende Integration am Ausgang der jeweiligen Integrationsstufen erhalten. Zudem ist die Übertragungsfunktion der Zusatzvorrichtung mit angeschlossenem Zusatzaddierer im eingeschwungenen Zustand des Regelungssystems (Stellgröße konstant) gleich AnZBn, wie aus der Definitionsgleichung bei p=0 hervorgeht. Darauf folgt, daß im eingeschwungenen Zustand ein vorgegebener Wert Y am Ausgang des Zusatzaddierers von einem Wert X= Y-(BnZAs) am ersten Eingang des Zusatzaddierers verursacht wird. Da der zweite Eingang des Zusatzaddierers mit dem Wert Y-(An— Bn)ZAn beaufschlagt wird, erscheint am Ausgang des Zusatzaddierers gerade der Wert Y, der dem Zustand des Regelungssystems entspricht: Beim Aussetzen des Umschaltsignals erfolgt keine sprunghafte Änderung im Regelungssystem.

Zu einem analogen Resultat, bezogen auf den Integrator der f/+l)-ten Integrationsstufe, führt der Umstand, daß letzterer im Moment des Aussetzens des Umschaltsignals die vom entsprechenden Hilfsaddierer gebildete Summe

A _s

+ X

B,

erhält: Wegen X= Y-(BnZAn) ist der zu integrierende Wert auf jeder Integrationsstufe mit Ausnahme der ersten in der Reihenfolge bei eingeschwungenem > > Zustand des Regelungssystems identisch gleich Null; auch auf der ersten Integrationsstufe ist der zu integrierende Wert gleich Null, weil darin der Hilfsaddierer die Summe

A' V

bildet, die identisch gleich Null ist.

Es wird als das Resultat erreicht, daß bei eingc· schwungencm Regelungssystem der Übergang vom rechner- oder handgesteuerten Betrieb zum geregelten Betrieb ohne sprunghafte Änderung erfolgt.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Zusatzvorrichtung besteht in einer Integrationsstufe der Integrator auf bekannte Weise aus einem Rechenverstärker, dessen invertierender Eingang mit dem einen Anschluß eines Integrationswiderstandes verbunden ist und dessen niehlinyertiocender EitiEanii an die Quelle einer

und -eines ZwWwIa^

Ist In der !ntegratiohistufe ein beiätlgbarer, als Umschalter Beim Fehlen des Umschaltsignals und des Steuersignals ist der Zweitschalter geöffnet, zudem befinden sich der Steuerschalter und der Betriebsschalter in Reihenschaltung, und der Ausgang des Hilfsaddierers wird über den Integrationswiderstand mit dem invertierenden Eingang des Integrators verbunden. In diesem Schaltzustand arbeitet der Rechenverstärker als Integrator; bei einem Integrationswiderstand R und einem Integrationskondensator C ist die Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Hilfsaddierers und dem Ausgang des Rechenverstärkers, in der Laplace-Schreibweise formuliert, gleich \ZRCp.

Beim Erscheinen des Steuersignals wird die Verbindung zwischen dem Ausgang des Hilfsaddierers und dem invertierenden Eingang des Integrators vom Steuerschalter unterbrochen. Der am Ausgang des Rechenverstärkers erscheinende Wert bleibt erhalten, weil sich der Integrationskondensator in diesem Schaltzustand nicht entladen kann. Es ist von Vorteil, jedoch nicht zwingend, daß der invertierende Eingang des Integrators durch den Steuerschalter mit der Null-Referenzspannungsquelle verbunden wird: Am Resultat wird dadurch nichts geändert, es werden jedoch Störungsmöglichkeiten durch am Integrator anliegende Streuspannungen vermieden.

Beim Erscheinen des Umschaltsignals wird der Ausgang des Zweitmultiplikators über den Integrationswiderstand R mit dem invertierenden Eingang des Integrators verbunden, und zudem wird bei geschlossenem Zweitschalter der Integrationskondensator C vom Zweitwiderstand Z überbrückt. In diesem Schaltzustand ist die Übertragungsfunktion zwischen dem Ausgang des Zweitmultiplikators und dem Ausgang des Rechenverstärkers, in der Laplace-Schreibweise formuliert, gleich

SS

baren verbündt

vom ÜL . _.

abgebildeter zuiäüllcher Betrieblichalter angeordnet <* dessen gemelntfaiw Pol mit dem anderen Anschluß des Integratloniwlderitandei verbunden ist, während einer der beiden Übrigen Pole denuiätilichen Betriebliche!· ters über den Steuerschalter mit dem Auigarig des der Integrationistufe zugehörigen Hllfiaddlerers und dir »s ander« übrige Pol mit dem Ausgang det der Integratioftsstufe zugehörigen Zweitmultiplikators verbunden 1st

•to was ein Tiefpaß mit Zeitkonstante ZCund Verstärkung ZZR bei der Frequenz Null ist. Demzufolge erscheint im eingeschwungenen Zustand des Systems (Stellgröße konstant) am Ausgang des Rechenverstärkers der mit einem Koeffizienten ZZR beaufschlagte Au: gangswert

ίί des Zweitmultiplikators.

Vorzugsweise sind dabei die Werte des Zweitwiderstandes Z und des Integrationswiderstandes R in der Men Integrationsstufe im Verhältnis

« · ' Z /I₁- H₁

welches Verhältnis gleich dem erwünschten Multiplikatlonskoefftzletfteift des iügehörtgen Zweitmultiplikators Ist. Dftdurch wird der Zweltrnültlpllkator bereits In die Schaltung des ReCheflverstärkers eingebaut, er entfällt ats selbständig«) -Vorrichtung; was sich kostengünstig auswirkt: Der Aulgang des Zweitfühlers wird dann direkt mit' dem inöprechehden Pol des zusätzlichen Betriebischalten verbunden. Zudem wird erreicht, daß der am Rechenverstlrker eingebaute Tiefpaß die Variationen des vom Zweitfühter gelieferten Signals auf vorteilhafte Wolle glittet

Aüiführungibelsplele der Erfindung sind anhnnd der Zeichnung nlner erläutert. Bs zeigt

Plg.l du ernhdungsgemlDe Regelungssystem, Im Biockschemä«

PIg.2 die Kombination eines Zusatwddlerers und

einer Zusatzvorrichtung erster Ordnung, im Blockschema,

Fig.3 die Kombination eines Zusatzaddierers und einer Zusatzvorrichtung zweiter Ordnung, im Blockschema, ,

Fig.4 die Kombination eines Zusatzaddierers und einer Zusatzvorrichtung N-ter Ordnung, im Blockschema, und

Fig.5 eine bevorzugte Ausbildung einer Integrationsstufe in einer Zusatzvorrichtung. ' -

In Fig.l besteht der klassische Regelkreis des Regelungssystems .aus einem .Regler 1 und einer Regelstrecke 2. Die in der Regelstrecke erzeugte Regelgröße wird von einem Fühler 3 abgetastet und in eine dem Regler angepaßte Eingangsgröße umgewandelt, die in einer Leitung 4 vom Fühler 3 zum Regler 1 zugeführt wird. Am Ausgang des Reglers 1 wird die im Regler 1 erzeugte Stellgröße auf der Leitung 5 geliefert; diese Stellgröße wird einem Stellglied 6 zugeführt und darin in eine der Regelstrecke 2 angepaßte Eingangsgröße umgewandelt, welche der Regelstrecke 2 durch eine Leitung 7 zugeführt wird. Eventuelle Störgrößen, die auf die Regelstrecke 2 einwirken, werden durch eine Zuleitung 8 symbolisiert, die zur Regelstrecke 2 führt

Im Regler 1 befindet sich ein Eingangsaddierer 101, dem durch die Leitung 4 die als Eingangsgröße umgewandelte Regelgröße zugeführt wird. Andererseits erhält der Eingangsaddierer 101 durch die Leitung 9 eine willkürlich vorgegebene Führungsgröße zugeführt, und die Zuleitung 10 symbolisiert allfällige Störgrößen, die auf den Regler 1 einwirken.

In einem ersten Beispiel eines solchen Regelungssystems ist die Regelstrecke 2 ein Thermostat, und die Regelgröße ist eine Temperatur; der Fühler 3 ist ein Thermoelement; die Führungsgröße auf der Leitung 9 ist eine Spannung, die der Soll-Temperatur entspricht, während der Regler 1 über die Leitung 4 eine der Ist-Temperatur entsprechende Spannung erhält. Das Stellglied 6 ist ein Verstärker, der einen in der Leitung 7 fließenden Strom steuert, welcher einen in der Regelstrecke 2 befindlichen Heizwiderstand erwärmt

In einem weiteren Beispiel des Regelungssystems ist die Regelstrecke 2 ein Zielverfolgungs-Theodolit, und die Regelgröße ist die Winkellage der Achse des Theodoliten beispielsweise in Azimutrichtung. Der Fühler 3 ist ein Infrarot-Detektor, dessen optische Achse mit der optischen Achse des Theodoliten praktisch übereinstimmt, und der eine der Zielablage proportionale Spannung liefert. In diesem Fall ist der Istwert des Regelungssystems die tatsächliche Richtung der Achse, und der Sollwert des Regelungssystems ist die Richtung des Ziels: Durch die physikalische Funktionsweise des Infrarot-Detektors werden darin der Fühler 3 und der Eingangsaddierer 101 vereint, indem der Infrarot-Detektor direkt die Differenz der Regelgröße (Istwert) und der Führungsgröße (Sollwert) liefert. Durch diese physische Zusammenfassung des Fühlers 3 und des Eingangsaddierers 101 werden jedoch die Ausführungen über das Regelungssystem in keiner Weise beeinträchtigt. Im Rahmen desselben Beispiels ist das Stellglied 6 ein Motor, welcher die geeignete Winkelbewegung der Achse des Theodoliten in Azimutrichtung bewirkt. Die Stellgröße auf der Leitung 5 ist der Speisestrom des Motors, und die Eingangsgröße der Regelstrecke in der Leitung 7 ist die Drehzahl der Motorwelle, die in der Regelstrecke 2 zu einer Winkeländerung über die Zeit integriert wird.

Zum direkten hand- oder rechnergesteuerten Betrieb der Regelstrecke wird die- von der Bedienungsperson oder vom Rechner bestimmte Führungsgröße auf einen zur Betätigung des Stellgliedes 6 geeigneten Hilfsverstärker It über eine Leitung 12 eingegeben, worauf die Stellgröße auf einer Leitung 13 erscheint. Dem Stellglied .6 wird die. Stellgröße über eine Leitung 14 eingegeben, welche je nach Betriebsart der Regelstrekke (Hand- oder Regelungsbetrieb) durch einen als Umschalter ausgebildeten Betriebsschalter 15 mit der

ίο Leitung 13 oder mit der Leitung 5 verbunden ist Der Betriebsschalter 15 wird von einem Umschaltsignal auf den geeigneten Schaltzustand gesteuert Vorteilhafterweise wird das Umschaltsignal vom Hilfsverstärker 11 aus erzeugt, wenn auf der Leitung 12 eine Führungsgröße erscheint, worauf das Umschaltsignal auf einer Leitung 16 erscheint und von dieser zum Betriebsschalter 15 zugeführt wird; auf diese Weise erfolgt die Umschaltung nach Bedarf und automatisch vom Handbetrieb auf den Regelungsbetrieb und umgekehrt Im Regler 1 befinde: sich eine Reglervorrichtung 102, welche in einem klassischen Regelungssystem die auf einer Leitung 103 erscheinende, vom Eingangsaddierer 101 gebildete Differenz der Regelgröße und der Führungsgröße zu einer Stellgröße verarbeitet, welch letztere auf der Leitung 5 erscheint Im vorliegenden Regelungssystem ist die Ausgangsleitung 103 des Eingangsaddierers 101 mit der Eingangsleitung 104 der Reglervorrichtung 102 nicht direkt sondern über die Reihenschaltung eines ersten Regelkreisschalters 105.

eines Zusatzaddierers 106 und eines zweiten Regelkreisschalters 107 verbunden; der Regelkreisschalter 105 liegt zwischen der Ausgangsleitung 103 des Eingangsaddierers 101 und einer ersten Eingangsleitung 108 des Zusatzaddierers 106, während der Regelkreisschalter 107 zwischen der Eingangsleitung 104 der Reglervorrichtung 102 und der Ausgangsleitung 109 des Zusatzaddierers 106 liegt. Beide Regelkreisschalter 105 und 107 werden vom Umschaltsignal gesteuert, das ihnen durch entsprechende Abzweigungen 17 und 18 der Leitung 16 zugeführt wird, wobei die Regelkreisschalter 105 und 107 bei Vorhandensein des Umschaltsignals auf den Leitungen 16,17 und 18 geöffnet sind.

Im Regler 1 befindet sich noch eine Zusatzvorrichtung 110, deren Funktion im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 4 beschrieben wird. Der Ausgang der Zusatzvorrichtung 110 ist mit einer zweiten Eingangsleitung 111 des Zusatzaddierers 106 verbunden, so daß auf der Leitung 109 die Summe der auf den Leitungen 108 und Hl erscheinenden Signale erscheint Andererseits wird das auf der ersten Eingangsleitung 108 des Zusatzaddierers 106 erscheinende Signal durch die Leitung 112 zur Zusatzvorrichtung HO zugeführt, während das auf der Ausgangsleitung 109 des Zusatzaddierers 106 erscheinende Signal durch die Leitung 113 zur Zusatzvorrichtung 110 zugeführt wird. Das Umschaltsignal wird der Zusatzvorrichtung 110 durch die Abzweigungen 19 und 114 der Leitung 16 zugeführt.

Am Stellglied 6 ist ein Linearitätsdetektor 20 angeordnet, welcher ein Steuersignal erzeugt, wenn die auf der Leitung 7 erscheinende Eingangsgröße der Regelstrecke der auf der Leitung 14 erscheinenden Stellgröße nicht streng proportional ist d. h., wenn die Übertragung zwischen der Reglervorrichtung 102 und der Regelstrecke 2 nicht streng linear ist. Das

(>s Steuersignal aus dem Linearitätsdetektor 20 wird durch die Leitung 21 der Zusatzvorrichtung 110 zugeführt.

In einem ersten Beispiel ist das Stellglied 6 ein Verstärker, der einen in der Leitung 7 fließenden Strom

steuert, welcher einen in der Regelstrecke 2 befindlichen Heizwiderstand'erwärmt. Damit, der' Heizwiderstand nicht durchbrennt, ist der¹ vom Stejlgljed 6 gelieferte Strom auf einen Maximalwert'begrenzt: Wird* das Stellglied6überdiekeitung 14zustärk'angesteuert,so tritt eine dann eingebaute Strombegrenzung in Funktion, welche gleichzeitig den Linearitätsdetektor 20 zum Erzeugen des Steuersignals ansteuert. Derartige Geräte sind wohlbekannt, z, B. als Spannungsquellen mit Strombegrenzung und mit einem Lämpchen, welches |₀ aufleuchtet, wenn die Strombegrenzung wirksam wird.

In einem weiteren Beispiel ist das Stellglied 6 ein Motor, dessen'Speisestrom einen Maximalwert nicht überschreiten darf, ansonsten der Motor durchbrennt Der Linearitätsdetektor 20 kann eine Vorrichtung sein, welche auf den Maximalwert des Stroms (oder einen geringfügig darunterliegenden Wert) in der Art einer Kippschaltung anspricht und dabei das Steuersignal aussendet; die eigentliche Strombegrenzung kann dabei in die Reglervorrichtung 102 und im Hilfsverstärker ti eingebaut sein. Andererseits kann die Funktion der Strombegrenzung mit der Funktion des Linearitätsdetektors in einem einzigen Gerät 20 kombiniert sein, welches die Speisung des Stellgliedes 6 beeinflußt.

An der Regelstrecke 2 ist ein Zweitfühler 22 angeordnet, der die Regelgröße zu einer Ausgangsgröße verarbeitet, welch letztere von gleicher physikalischer Beschaffenheit wie die Stellgröße, hingegen von anderer physikalischer Beschaffenheit als die Ausgangsgröße des Fühlers 3 ist Beispielsweise ist die Stellgröße ein Strom, das Stellglied ein Motor und die Regelgröße die Position eines Gegenstandes, der vom Motor bewegt wird; dann wird vom Fühler 3 ein der Position bzw. der Differenz zwischen der Soll-Position und der Ist-Position des Gegenstandes entsprechendes Signal geliefert, während vom Zweitfühler 22 ein der Geschwindigkeit des Gegenstandes entsprechendes Signal geliefert wird. In einem weiteren Beispiel ist die Stellgröße ein Strom, das Stellglied ein Ventil, welches eine Gasdüse beeinflußt, und die Regelgröße ist die Position eines Raumschiffes, welche von der Reaktion der Gasdüse beschleunigt wird; der Fühler 3 ist dann ein Positionsfühler, der die Differenz der Soll- und Ist-Position gegenüber bestimmten Sternen abfühlt, während der Zweitfühler 22 nun ein Beschleunigungsfühler ist. In einer Abwandlung dieses Beispiels wird das Ventil von einem Motor betätigt, so daß die Regelgröße (die Position des Raumschiffes) nun das dritte Zeitintegral der Stellgröße (des Stroms im Motor) ist; dann ist der Zweitfühler 22 als Fühler für die Beschleunigungsänderung ausgebildet, d. h, vom Zweitfühler wird die dritte Zeitableitung der Position geliefert, was der physikalischen Beschaffenheit der Stellgröße entspricht Ganz allgemein liefert der Zweitfühler die Zeitableitung Z-ter Ordnung der Regelgröße, wenn letztere das Zeitintegral Z-ter Ordnung der Stellgröße ist. Dieses vom Zweitfühler 22 gelieferte Signal wird der Zusatzvorrichtung 110 durch die Leitung 23 zugeführt
Schließlich ist am Fühler 3 eine Kontrollvorrichtung <>o

24 angeordnet, die beim Aussetzen des Fühlersignals das Umschaltsignal erzeugt, welches durch die Leitung

25 auf die Leitungen 16,17,18 und 19 übertragen wird. Ein solches Aussetzen erfolgt beispielsweise, wenn der Fühler 3 ein optischer Fühler ist, dessen Ziel fts vorübergehend maskiert wird. Die Kontrollvorrichtung 24 kann ein Fühler gleicher Art wie der Fühler 3 sein, mit Hem Unterschied, daß bei Übereinstimmung der

optischen Achse des Fühlers 3 mit der Zielrichtung die Ausgangsgröße cjes-Fühlers 3^!Null wird, weij'dänn die Soll- und Ist-Richtungen'übereinstimmen, während die; Kontrollvorrichtung 24 bei einer solchen Übereinstimmung ein maximales EmpfangssignaS , verarbeitet: Zudem wird von'der Kontrollvorrichtung 24 das Umschaltsignal erzeugt, wenn darin das Empfangssignal unter eine vorbestimmte Schwelle sinkt Der Fühler 3 und die Kontrollvorrichtung 24 können in einem einzigen Fühler vereint sein, wobei das Empfangsfeld des Fühlers unterteilt ist und aus verschiedenen Empfangsfeldern die geeigneten Summen- und Differenzsignale gebildet werden, derart, daß bei Übereinstimmung der Fühlerachse mit der Zielrichtung das eine Signa) maximal und das andere Null wird.

Mit der Leitung 26, auf welcher das Umschaltsignal ebenfalls erscheint, wird angedeutet, daß das* von der Kontrollvorrichtung 24 erzeugte Umschaltsignal der Bedienungsperson oder einem Rechner als Information weitergegeben wird, worauf die Bedienungsperson oder der Rechner die geeignete Führungsgröße auf die Leitung 12 einzugeben hat

In F Ί g. 2 bis 4 sind mit gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 der Zusatzaddierer 106 und die Leitungen 21,23, 108, 109, 111, 112, 113 und 114 eingezeichnet; die übrigen eingezeichneten Teile gehören zur Zusatzvorrichtung 110.

In F i g. 2 ist eine Zusatzvorrichtung erster Ordnung dargestellt Sie enthält eine einzige Integrationsstufe mit einem Integrator 201, an dessen Ausgang die Leitung

202 angeschlossen ist, welche mit der als Ausgangsleitung der Zusatzvorrichtung dienenden zweiten Eingangsleitung 111 des Zusatzaddierers 106 verbunden ist. Die erste Eingangsleitung 108 des Zusatzaddierers 106 ist durch die Leitung 112 mit dem Eingang eines ersten Multiplikators 203 verbunden, während die Ausgangsleitung 109 des. Zusatzaddierers 106 durch die Leitung 113 mit dem Eingang eines zweiten Multiplikators 204 verbunden ist. Der Ausgang des ersten Multiplikators

203 ist durch die Leitung 205 und der Ausgang des zweiten Multipliklators 204 ist durch die Leitung 206 mit je einem zugehörigen Eingang eines Hilfsaddierers 207 verbunden. Die mit dem Ausgang des Hilfsaddierers 207 verbundene Leitung 208 ist über einen Steuerschalter 209 an die mit dem Eingang des Integrators 201 verbundene Leitung 210 angeschlossen. Der Steuerschalter 209 wird durch das über die Leitung 21 zugeführte Steuersignal betätigt, und zwar derart, daß bei Anwesenheit des Steuersignals der Steuerschalter 209 geöffnet ist, und umgekehrt

Die in F i g. 2 dargestellte Kombination des Zusatzaddierers 106 und der Zusatzvorrichtung ist dazu bestimmt, als Tiefpaßfilter erster Ordnung zu wirken die entsprechende Übertragungsfunktion zwischen der Leitungen 108 und 109 wird in der Laplace-Schreibweise durch die Formel

-4.(1 + B_lP)

B₁(I +

dargestellt. Ausgehend von den Eigenschaften de Regelungssystems wird der gewünschte Frequenzgan] des Tiefpaßfilter festgelegt, wobei die Übertragung? funktion bei den tiefen Frequenzen gleich A\/B\ und b« den hohen Frequenzen gleich 1 ist, und der entsprechen de Übergang der Übertragungsfunktion etwa zwische den Frequenzen \Ι2πΑ\ und \/2πΒ\ stattfindet. Wi

bereits im vorstehenden erläutert, folgt daraus der MultipHkationskoeffizient ~\'/B] für ,den Multiplikator 203 und der Mjultipljkatiqnskoeffizient -1/41 für "den Multiplikator 204! Als einzelne elektronische Bauelemente sind derartige Multiplikatoren 203 und 204 sowie s der Hilfsaddierer 207, der Integrator 201 und der Zusatzäddierer 106 an sich bekannt Bei geschlossenem Steuerschalter 209 ergibt sich die gewünschte Tiefpaßwirkung, welche beim öffnen des Steuerschalters 209 aufgehoben wird, ohne dabei im Regelungssystem eine ι ο Unstetigkeit hervorzurufen. In, Pig,2 ist zudem ein Zweitmultiplikator 211 eingezeichnet, dessen Eingang durch die Leitung 23 mit dem Signa! aus dem Zweitfühler gespeist wird und dessen Ausgang über die Leitung 212, den Zweitschalter 213 und die Leitung 214 mit tier Leitung,202 verbunden ist, die vom und zum Aüsgäiigicles Integrators 201 führt. Wie im vorstehenden erläutert, ist dabei der MultipHkationskoeffizient (A\ - B\)/A\ für den Zweitmultiplikator 211 vorgesehen. Der Zweitschalter 213 sowie der Steuerschalter 209 sind vom Umschaltsignal betätigbar, das von den Leitungen 114 und 215 bzw. 216 diesen Schaltern zugeführt wird. Das Umschaltsignal bewirkt das öffnen des Steuerschalters 209 und das Schließen des Zweitschalters 213, und zudem auch noch (vgl. Fig. 1) das öffnen der Regelkreisschalter 105 und 107: Am Ausgang des Integrators 201 erscheint dann bei geöffnetem Regelkreis der gewünschte Wert in Vorbereitung eines späteren Schließens des Regelkreises, wie im vorstehenden erläutert wurde.

In F i g. 3 ist eine Zusatzvorrichtung zweiter Ordnung im Zusammenhang mit dem Zusatzaddierer dargestellt. In dieser Zusatzvorrichtung sind zwei Integrationsstufen enthalten. Die erstere Integrationsstufe ist im Aufbau mit der einzigen Integrationsstufe der Zusatzvorrichtung erster Ordnung in Fig.2 identisch, nur werden dabei andere Multiplikationskoeffizienten verwendet. Die letztere Integrationsstufe verarbeitet den Ausgangswert der ersteren Integrationsstufe und weist einen gleichartigen Aufbau auf, mit dem Unterschied, daß der Hilfsaddierer mit drei statt mit zwei Eingängen versehen ist; der zusätzliche dritte Eingang ist an den Ausgang der ersteren Integrationsstufe angeschlossen, was die Reihenschaltung der Integrationsstufen bewerkstelligt.

Unter diesen Voraussetzungen darf die Beschreibung der F i g. 3 insofern gekürzt werden, als die darin mit 301 bis 316 bezeichneten Teile gleicher Art sind und gleiche Verbindungen aufweisen wie die in F i g. 2 mit 201 bis 216 bezeichneten Teile. Mit den Bezugszeichen 301 bis 316 ist dabei die erstere Integrationsstufe bezeichnet

Aufgrund des gleichartigen Aufbaus der letzteren Integrationsstufe läßt sich diese in Fig.3 mit den Bezugszeichen 351 bis 366 bezeichnen, welche den Bezugszeichen 201 bis 216 in F i g. 2 entsprechen.

Es sind nur zwei Abweichungen hervorzuheben. Zum einen ist die am Ausgang des Integrators 301 angeschlossene Leitung 302 nicht mit der als Ausgangsleitung der Zusatzvorrichtung dienenden zweiten Eingangsleitung 111 des Zusatzaddierers 106 verbunden, sondern mit einer dritten Eingangsleitung 317 des Hilfsaddierers 357. Zum anderen sind für die Multiplikatoren 303,304, 311,353, 354 und 361 nicht die gleichen Multiplikationskoeffizienten vorgesehen wie für die entsprechenden Multiplikatoren 203, 204 und 211. Es versteht sich auch, daß die Leitungen 21,23,112 und 113 verzweigt sind, um beide Integrationsstufen mit den entsprechenden Signalen zu beliefern; diese Verzweigungen sind nicht nftjier bezeichnet ·

Die in F i g. 3 dargestellte Kombination des Zusatzaddierers 106 und der Zusatzvorrichtung ist dazu bestimmt, als Tiefpaßfilter zweiter Ordnung ,zu wirken; die entsprechende Übertragungsfunktion zwischen den Leitungen 108 und 109 wird in der Laplace-Schreibweise durch die Formel

A₂(I

B₂p²)

B₂(I

dargestellt Ausgehend von den Eigenschaften des Regelungssystems wird der gewünschte Frequenzbereich des Tiefpaßfilters festgelegt, wobei die Übertragungsfunktion bei den tiefen Frequenzen gleich A₂ZB₂ und bei den hohen Frequenzen gleich 1 ist, und der entsprechende Übergang der Übertragungsfunktion etwa zwischen den Frequenzen \/2ήγΑί und \Ι7π{Β\~ stattfindet. Dabei werden Ay und B\ so gewählt, daß am Tiefpaßfilter gerade die kritische Dämpfung entsteht, so daß im Frequenzbereich die Übertragungsfunktion mit größtmöglicher Steilheit, jedoch mit nicht mehr als einem Wendepunkt verläuft; die Koeffizienten A\ und ßi werden also aufgrund des gewünschten Verlaufes der ersten Frequenzabteilung der Übertragungsfunktion bestimmt

Wie bereits im vorstehenden erläutert, folgen daraus die Multiplikationskoeffizienten VBi für den Multiplikator 303, B\/Bi für den Multiplikator 353, - \/A₂ für den Multiplikator 304, -A_xZA₁ für den Multiplikator 354, (A^-B_x)ZA₂ für den Multiplikator 311 und (A₂-B₂)ZA₂ für den Multiplikator 361.

Beim Fehlen des Steuersignals und des Umschaltsignals ergibt sich die gewünschte Tiefpaßwirkung, welche beim Erscheinen des Steuersignals wegen des öffnens der Steuerschalter 309 und 359 aufgehoben wird, ohne dabei im Regelungssystem eine Unstetigkeit hervorzurufen. Bei Anwesenheit des Umschaltsignals werden die Steuerschalter 309 und 359 auch geöffnet, die Zweitschalter 313 und 363 hingegen geschlossen, und es werden auch (vgl. Fig. 1) die Regelkreisschalter 105 und 107 geöffnet: Am Ausgang der Integratoren 301 und 351 erscheinen dann bei geöffnetem Regelkreis die gewünschten Werte in Vorbereitung eines späteren Schließens des Regelkreises, wie im vorstehenden erläutert wurde.

In F i g. 4 ist eine Zusatzvorrichtung /V-ter Ordnung im Zusammenhang mit dem Zusatzaddierer dargestellt. In dieser Zusatzvorrichtung sind also /V Integrationsstufen enthalten, von denen nur die erste, die /-te und die letzte dargestellt sind; die nicht dargestellten Integrationsstufen sind im Aufbau mit der /-ten Integrationsstufe identisch und sind gedanklich zwischen den paarweise angeordneten gestrichelten Linien 400-a und 400-6 bzw. 450-a und 450-6 einzufügen. Die erste Integrationsstufe ist im Aufbau mit der in F i g. 3 dargestellten ersteren Integrationsstufe identisch (vgl. Bezugszeichen 301 bis 316), während die letzte Integrationsstufe im Aufbau mit der in Fig.3 dargestellten letzteren Integrationsstufe identisch ist (vgl. Bezugszeichen 351 bis 366). Aus diesem Grund sind die meisten entsprechenden elektronischen Bauteile in F i g. 4 nicht bezeichnet.

Die /-te Integrationsstufe ist zwischen den Linienpaaren 400 und 450 eingezeichnet. Auch diese Integrationsstufe ist im Aufbau mit der in F i g. 3 dargestellten Integrationsstufe identisch, so daß für die /-te Integrationsstufe in Fig.4 die Bezugszeichen 451 bis 466 den Bezugszeichen 351 bis 366 in F i g. 3 entsprechen.

Wie ersichtlich, wird die Schaltung nach Fig.4 bei Wi 2 durch Auslassen der zwischen den Linienpaaren und 450 eingezeichneten Integrationsstufe identisch mit der in Fig.3 dargestellten Schaltung. Umgekehrt wird die Zusatzvorrichtung N-ter Ordnung in einem rekursionsähnlichen Verfahren aus der Zusatzvorrichung zweiter Ordnung gemäß Fig.3 auf die Weise gewonnen, daß eine Anzahl (N- 2) von Integrationsstufen in Reihenschaltung zwischen den ersteren und der letzteren der in F i g. 3 dargestellten Integrationsstufen eingesetzt werden. Dabei ist die Ausgangsleitung 402 des Integrators 401 der ersten Integrationsstufe mit der in F i g. 4 nicht abgebildeten, dritten Eingangsleitung des Hilfsaddierers der nächsten, also zweiten Integrationsstufe verbunden, während die nicht abgebildete Ausgangsleitung des Integrators der f/-l)-ten Integrationsstufe mit der dritten Eingangsleitung 417 des Hilfsaddierers 457 der in Fig.4 abgebildeten Aten Integrationsstufe verbunden ist. Ahnliches gilt für die Verbindung zwischen der /-ten und der f/+l)-ten Integrationsstufe sowie für die Verbindung zwischen der (N- l)-ten und der N-ten Integrationsstufe.

Die in F i g. 4 dargestellte Kombination des Zusatzaddierers 106 und der Zusatzvorrichtung N-ter Ordnung ist dazu bestimmt, als Tiefpaßfilter N-ter Ordnung zu wirken; die entsprechende Übertragungsfunktion zwischen den Leitungen 108 und 109 wird in der Laplace-Schreibweise durch die Formel

10

"5

20

/4_M(l +

B_sp«)

+ A₁P + A₂P¹ +

A_sP")

dargestellt Ausgehend von den gewünschten Eigenschaften des Regelungssystems wird der gewünschte Frequenzgang des Tiefpaßfilters festgelegt, wobei die Übertragungsfunktion bei den tiefen Frequenzen gleich A_nZB_n und bei den hohen Frequenzen gleich 1 ist, und der entsprechende Übergang der Übertragungsfunktion etwa zwischen den Frequenzen

1/2π

und 1/2.-T

stattfindet Die einzelne Bestimmung von A\ bis An-\ und B\ bis Bn₇ 1 erfolgt aufgrund des gewünschten Verlaufes der Übertragungsfunktion im Bereich des Überganges, also des gewünschten Verlaufes der ersten, zweiten, ... (N-l)-ten Ableitung der Übertragungsfunktion in bezug auf die Variable »Frequenz«; es werden wiederum die Koeffizienten so gewählt, daß im Frequenzbereich die Übertragungsfunktion mit größtmöglicher Steilheit, jedoch mit nicht mehr als einem Wendepunkt verläuft.

Wie bereits im vorstehenden erläutert, folgen daraus die Multiplikationskoeffizienten: in der /-ten Integrationsstufe sind als Multiplikationskoeffizient S,_ \/B_N für den Multiplikator 453, — Ai-\/A_N für den Multiplikator 454 und (Ai- Bi)As für den Multiplikator 461 einzusetzen. Die damit erreichte Wirkung bei An- oder Abwesenheit des Steuersignals und/oder des Umschaltsignals ist die gleiche, wie im Zusammenhang mit der Zusatzvorrichtung zweiter Ordnung beschrieben wurde, nur ist hier die Tiefpaßwirkung /V-ter stau zweiter Ordnung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und Fig.4 wird in der nachstehenden Formulierung in Boolescher Algebra der 7nct!inH Her verschiedenen Schalter in Abhängigkeit des Steuersignals und des UmschältsignalS gegeben. Bei »0« ist der betrachtete Schalter offen bzw. das betrachtete Signal abwesend, bei »1« ist der Schalter geschlossen bzw, das Signal vorhanden. Es gilt:

Steuerschalter (459 u. dgl.)

= Steuersignal + Umschaltsignal

Zweitschalter (463 u. dgl.) = Umschaltsignal Regelkreisschalter (105,107) = Umschaltsignal

In F i g. 5 ist eine bevorzugte Ausbildung einer Integrationsstufe der Zusatzvorrichtung dargestellt, beispielsweise der /-ten Integrationsstufe aus der Darstellung gemäß F i gi 4. Für einander entsprechende Elemente der Schaltschemata in Fig.4 und 5 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet

Kern dieser Ausbildung einer Integrationsstufe ist die Verwendung eines Rechenverstärkers 551, dessen nichtinvertierender Eingang über eine Leitung 570 an die eine Null-Referenzspannung liefernde Masse angeschlossen ist und dessen invertierender Eingang über eine Leitung 571 mit dem einen Anschluß eines Integrationswiderstandes 572, dem einen Anschluß eines Integrationskondensators 573 und dem einen Anschluß eines Zweitwiderstandes 574 verbunden ist Der andere Anschluß des Zweitwiderstandes 574 ist mit dem einen Pol des Zweitschalters 463 verbunden, dessen anderer Pol über die Leitung 464 mit dem Ausgang des Rechenverstärkers 551 bzw. mit dessen Ausgangsleitung 452 verbunden ist Der andere Anschluß des Integrationskondensators 573 ist ebenfalls mit dem Ausgang des Rechenverstärkers 551 über die Leitungen 464 und 452 verbunden. Der andere Anschluß des Integrationswiderstandes 572 ist mit der Eingangsteitung 560 der in Kombination wirkenden Anordnung der Elemente 551, 572, 573 und 574 sowie 463 verbunden. Werden der Wert des Integrationswiderstandes 572 mit R, der Wert des Integrationskondensators 573 mit Cund der Wert des Zweitwiderstandes 574 mit Z bezeichnet, so wird je nach dem Zustand des Zweitschalters 463 von der genannten Anordnung eine der folgenden Funktionen ausgeübt:

a) Bei geöffnetem Zweitschalter 463 wird die genannte Anordnung als Integrator, deren Übertragungsfunktion zwischen deren Eingangsleitung 560 und deren Ausgangsleitung 452 in der Laplace-Schreibweise durch 1/WCp dargestellt ist.

b) Bei geschlossenem Zweitschalter 463 wird die genannte Anordnung als Tiefpaßfilter erster Ordnung, deren Übertragungsfunktion zwischen deren Eingangsleitung 560 und deren Ausgangsleitung 452 in der Laplace-Schreibweise durch

30

4°

45

R (T

ZCp)

dargestellt ist.

In dieser letzteren Funktion (b) ist bei tiefen Frequenzen die Übertragungsfunktion der genannten Anordnung gleich-. Daher ist es äquivalent, gemäß F i g. 4 das Signal aus dem Zweitfühler über die Leitung

23 einem Zweitmultiplikator 46t einzugeben, welchem es mit dem Multiplikationskoeffizienten

in

beaufschlagt wird, und es dann auf die Ausgangsleitung 452 der Integratorstufe einzugeben, oder gemäß Fi g. 5 ,o dieses Signal aus der Leitung 23 auf die E.ngangsleitung 560 der genannten Anordnung einzugeben und der Übertragungsfunktion Rechnung zu tragen Werden die Werte R und Z dabei noch so gewählt, daß die Gleichung

As

gilt so ist der Multiplikationskoeffizient des zugehörigen Zweitmultiplikators gleich 1, d. h, letzterer erübrigt sich was kostensparend und daher vorteilhaft ist. Zudem ist die Tiefpaßwirkung der genannten Anordnung vorteilhaft, um das Signal aus dem Zweitfühler zu ⁸ linder ersteren Funktion (a) ist die Ausgangsleitung 458 des Hilfsaddierers 457 über den Steuerschalter 559 an die Eingangsleitung 560 der genannten Anordnung anzuschließen. Es ist daher in der Integrationsstufe ein als Umschalter ausgebildeter zusätzlicher Betriebsschalter 563 angeordnet, dessen gemeinsamer Pol mit der Eingangsleitung 560 verbunden ist. während einer der beiden übrigen Pole des zusätzlichen Betriebsschalters 563 über den Steuerschalter 559 mit der Leitung 458 und der andere übrige Pol mit der Leitung 23 verbunden ist Der zusätzliche Betriebsschalter 563 wird vom Umschaltsignal gesteuert, daß über die Leitungen 114 und 566 darauf eingegeben wird. In Abwesenheit des Umschaltsignals und des Steuersignals wird dann die Ausgangsleitung 458 des Hilfsaddierers 457 mit der Eingangsleitung 560 der genannten Anordnung verbunden während der Zweitschalter geöffnet ist. Bei Anwesenheit des Umschaltsignals ist der Zweitschalter 463 geschlossen, und es wird die Leitung 23 mit der Eingangsleitung 560 verbunden.

Der Steuerschalter 559 unterbricht die Verbindung zwischen dem Hilfsaddierer 457 und dem zusätzlichen Betriebsschalter 563. wenn ein Steuersignal erscheint das von der Leitung 21 dem Steuerschalter 559 zugeführt wird. In Fig.5 ist der Steuerschalter 559 ebenfalls als Umschalter ausgebildet, dessen gemeinsamer Pol mit dem entsprechenden Pol des zusätzlichen Betriebsschalters 563 über die Leitung 575 verbunden ist während je einer der beiden übrigen Pole mit dem Ausgang des Hilfsaddierers 457 über die Leitung 458 bzw mit der Masse verbunden ist. Bei Anliegen des Steuersignals auf der Leitung 21 wird die Verbindung zwischen den Leitungen 458 und 575 durch den Steuerschalter 559 unterbrochen, und die Leitung 575 wird mit der Masse verbunden, wodurch gesichert wird, daß an dieser Leitung die Spannung Null anliegt. So wird vermieden, daß Streuspannungen bei entsprechender Stellung des zusätzlichen Betriebsschalters 563 auf die Eingangsleitung 560 gelangen, was bei nicht angeschlossener Leitung 560 leicht passieren könnte. Die am Ausgang des Rechenverstärkers 551 aufgebaute Spannung bleibt erhalten, weil sie durch die am Integrationskondensator 573 aufgebaute Spannung definiert ist und sich dieser nicht entladen kann, sofern kein Umschaltsignal vorhanden ist.

Bei gleichzeitiger Anwesenheit des Steuersignals und des Umschaltsignals bleibt der Steuerschalter 559 wirkungslos.

Hier/u 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Selbstanpassendes Regelungssystem mit einem ,Regler, in dem sich ein Eingangsaddierer zum Bilden cjer Differenz der Regelgröße und, der Führungsgrö-Be?sowie eine Reglervorrichtung ,zum Bilden der Stellgröße aus dieser Differenz befinden, und mit einer im Regelkreis befindlichen Vorrichtung zum Begrenzen des Wertes der von der Regelstrecke erhaltenen Eingangsgröße,, welche Vorrichtung einen Linearitätsdetektor ansteuert, der beim Auftreten eines nichtlinearen Verhaltens des Regelkreises ein Steuersignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß im Regler (1) zwischen dem ι s Eingangsaddierer (101) und der Reglervorrichtung (102)'ein Zusatzaddierer (106) angeordnet ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Emgangsaddierers (101) und dessen Ausgang mit dem Eingang der Reglervorrichtung (102) verbunden ist, während dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang einer Zusatzvorrichtung (110) verbunden ist, die aus einer Anzahl TV gleichartiger, eine Reihenfolge bildender Integrationsstufen (201-216, 301-316, 351—366, 401—416, 451—466) besteht, deren jede einen Integrator (201, 301, 351, 401, 451) sowie einen Hilfsaddierer (207,307,357,407,457) enthält, dessen Ausgang mit einem Eingang des Integrators über einen vom Steuersignal (21) betätigbaren Steuerschalter (209,309,359,409,459) verbunden ist, ferner dessen erster Eingang über einen ersten Multiplikator (203, 303, 353, 403, 453) an den ersten Eingang des Zusatzaddierers (106) und dessen zweiter Eingang über einen zweiten Multiplikator (204,304, 354, 404, 454) an den Ausgang des Zusatzaddierers (106) angeschlossen ist, während der Ausgang des Integrators (201, 351, 451) der in der Reihenfolge letzten Integrationsstufe den Ausgang der Zusatzvorrichtung (110) bildet und bei den übrigen Integrationsstufen jeweils der Ausgang des Integrators (301, 401) einer bestimmten Integrationsstufe mit dem dritten Eingang des Hilfsaddierers (357, 457) der in der Reihenfolge nächstfolgenden Integrationsstufe verbunden ist.

2. Selbstanpassendes Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der Integrationsstufen (301—316, 351—366, 401 -416,451 -466) mindestens gleich 2 ist.

3. Selbstanpassendes Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter (209, 309, 359, 409, 459) als Umschalter ausgebildet ist, dessen gemeinsamer Pol mit dem Eingang des Integrators (201, 301, 351, 401, 451) verbunden ist, während je einer der beiden übrigen Pole mit dem Ausgang des Hilfsaddierers (207,307, 357, 457) bzw. mit der Quelle einer Null-Referenzspannung verbunden ist.

4. Selbstanpassendes Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelungssystem die Kombination der im Regler f>o befindlichen Reglervorrichtung (102), des Stellgliedes (6) und der Regelstrecke (2) einen Integrator Z-ter Ordnung bildet, ferner, daß im Regler zwischen dem Eingangsaddierer (101) und dem Zusatzaddierer (106) einerseits und zwischen dem Zusatzaddie- f>5 rer und der Reglervorrichtung (102) andererseits je einer von zwei von einem Umschaltsignal betätigbaren Regelkreisschaitern (iO5, 107) angeordnet ist, daß zudem an" de/ Regelstrecke (2) ein die Z-te Zeitableitung-d?V Regelgröße^ liefernder Zweitfühler (22) angeordnQtjst, dessen Ausgang an''den Ausgang je eines Ihtegratprs (2pl, 301,351', 40,1^45I) jeweils über die Reihenschaltung eines Zweitmuliipliicators (211,311,361', 411,461) und eines Vom, Umschaltsignal betätigbaren Zweitschalters (213*, 313,363,413, 463) angeschlossen ist, und daß schließlich die verschiedenen vom Steuersignal betätigbaren Steuerschalter (209, 309, .359, 409, 459) auch vom Umschaltsignal betätigbar sind, wobei das Umschaltsignal das Schließen der Zweitschalter und das öffnen· der Steuerschalter und der Regelkreisschalter bewirkt

5. Selbstanpassendes Regelungssystem' nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Integrationsstufe der Integrator aus einem Rechenverstärker ■ (551) besteht, dessen invertierender Eingang mit dem einen Anschluß eines Integrationswiderstandes (572) verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang an die Quelle einer Null-Referenzspannung angeschlossen ist, während dessen Ausgang über einen Integrationskondensator (573) mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, daß pudern der invertierende Eingang des Rechenverstärkers mit dem Ausgang des Rechenverstärkers über eine in Parallelschaltung zum Integrationskondensator befindliche Reihenschaltung des vom Umschaltsignal betätigbaren Zweitschalters (463) und eines Zweitwiderstandes (574) verbunden ist, und daß schließlich in der Integrationsstufe ein vom Umschaltsignal betätigbarer, als Umschalter ausgebildeter zusätzlicher Betriebsschalter (563) angeordnet ist, dessen gemeinsamer Pol mit dem anderen Anschluß des Integrationswiderstandes verbunden ist, während einer der beiden übrigen Pole des zusätzlichen Betriebsschalters über den Steuerschalter (559) mit dem Ausgang des der Integrationsstufe zugehörigen Hilfsaddierers (457) und der andere übrige Pol mit dem Ausgang des der Integrationsstufe zugehörigen Zweitmultiplikators verbunden ist.

6. Selbstanpassendes Regelungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Wertes des Zweitwiderstandes (574) zum Wert des Integrationswiderstandes (572) gleich dem Multiplikationskoeffizienten des Zweitmultiplikators ist, und daß der Ausgang des Zweitfühlers (22) mit dem genannten anderen übrigen Pol des zusätzlichen Betriebsschalters (563) verbunden ist.