DE3839878C2 - - Google Patents
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- DE3839878C2 DE3839878C2 DE3839878A DE3839878A DE3839878C2 DE 3839878 C2 DE3839878 C2 DE 3839878C2 DE 3839878 A DE3839878 A DE 3839878A DE 3839878 A DE3839878 A DE 3839878A DE 3839878 C2 DE3839878 C2 DE 3839878C2
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
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Description
Die Erfindung betrifft einen Rückführungsregler gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 (US-PS 46 80 518) und insbe
sondere einen solchen, der eine Verzögerungs- bzw. Laufzeit
kennlinie und einen mechanischen Resonanzverlauf einer
Regelstrecke oder einer Detektoreinrichtung kompensiert
und dadurch eine Regelgröße stabil geregelt werden kann.
In der US 45 02 109 wird ebenfalls eine sehr ähnliche
Regelkreisstruktur beschrieben, bei der das Ausgangssignal
eines Positionssensors einer digitalen Beobachterschaltung
zugeführt wird, die aus dem Ausgangssignal des
Positionssensors die Beschleunigung und die Geschwindigkeit
z. B. eines Roboterarms abschätzt. Das Ausgangssignal des
Positionssensors wird auch direkt zur Vergleichsstelle
zusammen mit dem geschätzten Beschleunigungswert und dem
Geschwindigkeitswert zurückgeführt.
Aus der US 46 80 518 ist ein Geschwindigkeitsregelsystem
für einen Servomotor bekannt, bei dem ein Rotationsencoder
als Meßeinrichtung für die Istgeschwindigkeit des
Servomotors verwendet wird, dessen Ausgangssignal zusammen
mit dem Strom für den Servomotor einer Schätzeinheit
zugeführt wird, die aus den beiden Eingangsgrößen eine
Schätzgröße für die Istgeschwindigkeit zur Regelung der
Motorgeschwindigkeit abgibt.
Zum besseren Verständnis des Ausgangspunkts der Erfindung
wird auf die Zeichnungen Bezug
genommen. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines allgemeinen
Rückführungsregelungssystems, wie es beispielsweise auf
Seite 2 des Buches von Masami ITO "University Lecture, Automatic
Control" im Maruzen Co. Ltd. Verlag beschrieben ist.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Bezugseingangselement
gekennzeichnet, dem eine erstrebte Regelgröße als Eingangssignal
zugeführt wird und dessen Ausgangssignal eine
Führungsgröße r ist, die einem Vergleicher 2 zugeführt
wird. Der Vergleicher 2 vergleicht das Führungssignal r
mit einem Haupt-Rückkopplungs- bzw. Rückführungssignal y*,
wie es später beschrieben wird und gibt eine Regelabweichung
e ab. Die Regelabweichung e des Vergleichers 2 wird
einem Stellglied 3 zugeführt, das die darauf basierende
Betriebsgröße bestimmt. Das Ausgangssignal des Stellglieds
3 wird einem Betriebsglied 4 zugeführt, das es in eine Betriebsgröße
u höherer Leistung umwandelt. Ein Regelglied
5 mit einer Übertragungskennlinie Gc 1 (s) wird gebildet von
dem Stellglied 3 und dem Betriebsglied 4. Die Betriebsgröße
u des Regelglieds 5 wird einer Regelstrecke 6 zugeführt,
die eine Übertragungskennlinie Gp (s) · Gpn (s) aufweist und
die die Regelgröße y als Ausgangssignal hat. Die Regelgröße
y wird einer Detektor- oder Meßeinrichtung 7 mit einer Übertragungskennlinie
Ks Gsn (s) zugeführt, die die Regelgröße
y in ein elektrisches Signal umwandelt und das Haupt-Rückführungssignal
y* abgibt. Bei der Regelstrecke 6 und der
Detektoreinrichtung 7 sind die Kennlinien Gpn (s) und Gsn (s)
Abweichungen von den gewünschten Kennlinien der Regelstrecke
6 bzw. der Detektoreinrichtung 7, die die mechanische Resonanzkennlinie
und die Vergrößerungskennlinie darstellen.
Das herkömmliche Rückführungsregelsystem wird wie oben beschrieben
gebildet. Bei der Durchführung der Rückführungsregelung
wird, um die Regelgröße y mit dem gewünschten Wert
in Übereinstimmung zu bringen, die Regelgröße y von der
Detektoreinrichtung 7 gemessen und zum Vergleicher 2 rückgeführt.
Vom Vergleicher 2 wird eine Differenz gegenüber der
Führungsgröße r, die vom Bezugseingangselement 1 abgegeben
wird, berechnet, und dieser berechnete Wert ist die Regelabweichung
e. Vom Regelglied 5 wird die Betriebsgröße u zur
Regelstrecke 6 so abgegeben, daß die vom Komparator 2 abgegebene
Regelabweichung e annähernd auf 0 gebracht wird.
Dies bedeutet, daß das Regelglied 5 als Stabilisierungskompensator
zur Stabilisierung des Regelkreissystems arbeitet.
Im Regelkreissystem bestimmt sich die Übertragungskennlinie
(Kennlinie des offenen Regelkreises) von der Regelabweichung
e bis zum Haupt-Rückkopplungssignal y* wie folgt:
Go 1 (s) = Gc 1 (s) · Gp (s) Gpn (s) · Ks Gsn (s) (1)
Das obenbeschriebene herkömmliche Regelkreissystem weist
die nachfolgenden Probleme auf:
- (1) Normalerweise haben die Regelstrecke 6 und die Detektoreinrichtung 7 immer Abweichungen von den gewünschten Kennlinien Gpn (s) bzw. Gsn (s) im Hochfrequenzband, und es ist aus Gleichung (1) offensichtlich, daß diese Kennlinien Gpn (s) und Gsn (s) in der offenen Regelkreis-Kennlinie nicht intakt bleiben bzw. instabil auftreten und daher die Stabilität des Regelkreissystems beeinträchtigt wird. Im allgemeinen wird das Regelglied Gc 1 (s) so gewählt, daß die Verstärkung der offenen Regelkreis-Kennlinie Go 1 (s) 0dB ist in einem relativ gesehen Niederfrequenzband, in dem das System durch Gpn (s) und Gsn (s) nicht beeinträchtigt wird. Damit kann das Frequenzband des Regelkreissystems nicht erweitert werden. Außerdem ist das System gegenüber Störungen von außen empfindlich, und die Regelabweichung e kann leicht groß werden.
- (2) Wenn die Detektorstörung in die Detektoreinrichtung 7 vermischt wird, werden insbesondere die Frequenzkomponenten, die unterhalb des Frequenzbands liegen, in dem die Detektoreinrichtung 7 arbeitet, überhaupt nicht eliminiert und unverändert zum Vergleicher 2 zurückgeführt, so daß der Betrieb des Regelsystems leicht durch diese Störgröße gestört werden kann.
Der Rückführungsregler gemäß vorliegender Erfindung hat
die Aufgabe, dafür zur
sorgen, daß auch bei hohen Frequenzen eine stabile Regelung
der Regelstrecke gegeben ist und auch Störungen, die durch
die Detektoreinrichtung, d. h. die Meßeinrichtung, bei nied
rigen Frequenzen erzeugt werden, kompensiert bzw. elemi
niert werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im
Anspruch 1 gelöst.
Demnach hat der Rückführungsregler eine
Zustandsbeobachtungseinrichtung, der als Eingangs
signale eine Zustandsgröße oder eine Regelgröße, die von
einer Detektoreinrichtung abgegeben werden, und eine Be
triebsgröße zugeführt werden. Dabei nimmt der Rückführungs
regler eine wahrscheinliche Regelgröße an, die dem richti
gen Wert näher liegt und kompensiert unerwünschte Übertra
gungskennlinien wie die mechanische Resonanzkennlinie und
die Verzögerungskennlinie im Hochfrequenzband der Regel
strecke oder der Detektoreinrichtung durch Rückführung
dieser angenommenen Regelröße.
Es kann auch eine
Zustandsbeobachtungseinrichtung vorgesehen sein, bei der die
Zustandsgröße oder die Regelgröße, die von der Detektoreinrichtung
abgegeben werden, und die Betriebsgröße Eingangssignale
sind. Dabei eliminiert der Rückführungsregler die
in die Detektoreinrichtung eingemischte Störung dadurch,
daß das Frequenzband niedriger eingestellt wird als die
Frequenz der in die Detektoreinrichtung eingemischten
Störung.
Bevorzugt wird ein
Hochleistungs-Hochband-Rückführungsregler durch Kompensation
der Abweichungen und Eliminierung der Störung
eingesetzt.
Bevorzugterweise
wird ein Rückführungsregler geschaffen, der über die
ganze Zeit hinweg einen stabilen Betriebsverlauf aufweist,
ohne daß das Rückführungsregelungssystem durch ein falsches
Rückführungssignal zu Beginn des Betriebs gestört wird,
indem das Eingangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung
auf den Zustand Null gesetzt wird, wenn das Rückführungsregelungssystem
nicht in Betrieb ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen allgemeinen
Rückführungsregelungssystems;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rückführungsreglers;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Positionsregelungssystems,
das als besondere Ausführungsform des Rückführungsreglers
nach Fig. 2 die Position eines Linearmotors regelt;
Fig. 4 ein spezielles Schaltungsdiagramm, das einen Teil
der in Fig. 3 dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung
zeigt;
Fig. 5 ein Kurvenschaubild einer Übertragungskennlinie mit
offenem Regelkreis des Positionsregelungssystems für einen
Linearmotor zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 3
dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung;
Fig. 6 ein Blockschaltbild des Positionsregelungssystems
für den Linearmotor durch äquivalente Transformation von
Fig. 3;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Positions-Rückführungsregelungssystems
für einen Linearmotor; und
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehpositionsregelungssystems für
einen Gleichstrommotor.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Rückführungsreglers. In Fig. 2 ist mit
dem Bezugszeichen 1 ein Bezugseingangselement gekennzeichnet,
dem eine gewünschte Regelgröße als Eingangssignal zugeführt
wird und das als Ausgangssignal eine Führungsgröße
r liefert. Die Führungsgröße r wird einem Vergleicher 2
zugeführt, der diese mit einem angenommenen Positionssignal
, was später beschrieben wird, vergleicht und eine Regelabweichung
e abgibt. Die vom Vergleicher 2 abgegebene Regelabweichung
e wird einem Stellglied 3 zugeführt, das eine
darauf basierende Betriebsgröße bestimmt. Das Ausgangssignal
des Stellglieds 3 wird einem Betriebsglied 4 zugeführt,
das es in eine Betriebsgröße u höherer Leistungen umwandelt.
Ein Regelglied 5 mit einer Übertragungskennlinie Gc 2 (s)
wird abgebildet von dem Stellglied 3 und dem Betriebsglied
4. Die Betriebsgröße u des Regelglieds 5 hat die Übertragungskennlinie
Gp (s) Gpn (s). Die Betriebsgröße u wird einer
Regelstrecke 6, die die Regelgröße y abgibt, und einer Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 zugeführt, die von der
Regelgröße ein wahrscheinliches Positionssignal annimmt,
das näher am richtigen Wert liegt. Die Regelgröße y, die
von der Regelstrecke 6 abgegeben wird, wird einer Detektoreinrichtung
7 mit einer Übertragungskennlinie Ks Gsn (s)
zugeführt, die die Regelgröße y in ein elektrisches Signal
umwandelt und ein gemessenes Positionssignal y* ausgibt.
Das gemessene Positionssignal y* der Detektoreinrichtung
7 wird der o.g. Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Positionsregelungssystems,
das die Position eines Linearmotors regelt und
das als besonderes Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsform angesehen werden kann. In Fig. 3
ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Signalgenerator für die
gewünschte Position gekennzeichnet, dem als Eingangssignal
eine gewünschte Position zugeführt wird und der ein gewünschtes
Positionssignal r als Ausgangssignal abgibt. Das
vom Signalgenerator 1 abgegebene Positionssignal
r wird dem Vergleicher 2 zugeführt, der es mit einem angenommenen
Positionssignal y, was später beschrieben wird,
vergleicht und die Regelabweichung e abgibt. Die von dem
Vergleicher 2 abgegebene Regelabweichung e wird einem Vorkompensator
5 zugeführt, der einen Treiberstrom u für einen
Linearmotor als Betriebsgröße abgibt. Der vom Vorkompensator
5 abgegebene Treiberstrom u wird einem Block 6 zugeführt,
der die Übertragungskennlinie des Linearmotors darstellt,
der das zu regelnde Objekt ist. Dieser Block 6
weist einen ersten Block mit einer Kraftkonstante Kf des
Linearmotors auf, dem der Treiberstrom u zugeführt wird
und der eine Treiberleistung abgibt und außerdem einen zweiten
Block mit dem Reziprokwert der Masse M des beweglichen
Teils des Linearmotors und eine Doppelintegralkennlinie
aufweist. Dem zweiten Block wird die vorgenannte Treiberkraft
zugeführt, und er gibt die Position y aus. Die ausgegebene
Position y wird dem Positionsdetektor 7 zugeführt,
der die Position mit einer Empfindlichkeit Ks feststellt
und ein festgestelltes Positionssignal y* abgibt. Dann wird
das ausgegebene festgestellte Positionssignal y* der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 zugeführt, die das angenommene
Positionssignal ausgibt.
Die Zustandsbeobachtungseinrichtung wird gebildet von einem
Verstärkungselement 111, das einen Wert hat, der durch Multiplizierung
der Kraftkonstante Kf des Linearmotors mit
dem Reziprokwert der Masse des beweglichen Teils im Linearmotor
erhalten wird, und dem der Treiberstrom u vom Vorkompensator
5 zugeführt wird, einem Addierer 117, dem das Ausgangssignal
des Verstärkungselements 111 und das Ausgangssignal
eines Rückkopplungsverstärkungselements 115, das
später beschrieben wird, zugeführt wird und der diese Signale
addiert, einem Integrator 112, dem das Additionsergebnis
vom Addierer 117 zugeführt wird, einem Addierer 118, dem
das Ausgangssignal des Integrierers 112 und das Ausgangssignal
eines Rückkopplungsverstärkungselements 116 wie nachfolgend
beschrieben, zugeführt wird und der diese Signale
miteinander addiert, einem Integrator 113, dem das Additionsergebnis
vom Addierer 118 zugeführt wird, einem Verstärkungselement
114, das die Empfindlichkeit Ks des Positionsdetektors
7 simuliert und dem das Ausgangssignal des
Integrators 113 zugeführt werden und das das angenommene
Positionssignal abgibt, einem Subtrahierer 119, dem das
festgestellte Positionssignal y* des Positionsdetektors 7
und das angenommene Positionssignal zugeführt wird und
der diese Signale voneinander subtrahiert, und Rückkopplungsverstärkungselementen
115 und 116, denen das Subtraktionsergebnis
zugeführt wird und die das Frequenzband der
Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 bestimmen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines speziellen Schaltungsdiagramms
eines Teils der in Fig. 3 dargestellten Zustandsbeobachtungseinrichtung.
In Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen
31 ein Operationsverstärker gekennzeichnet, der äquivalent
ist zu dem Verstärkungselement 111, dem Addierer 117, dem
Integrator 112 und dem Rückkopplungsverstärkungselement
115. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 31 wird
einem Operationsverstärker 32 zugeführt, der äquivalent
ist zum Addierer 118, Integrator 113, Verstärkungselement
114 und zum Rückkopplungsverstärkungselement 116. Das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 32 wird als angenommenes
Positionssignal dem Komparator 2 als Ausgangssignal
der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt und außerdem
einem Operationsverstärker 33, der äquivalent ist zum
Subtrahierer 119. Das festgestellte Positionssignal y* wird
dem Operationsverstärker 33 zugeführt und das Ergebnis der
Subtraktion dieser beiden Eingangssignale wird dem Operationsverstärker
31 und einem Operationsverstärker 34 zugeführt,
der die Polarität des Subtraktionsergebnisses invertiert.
Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 34 wird
dem Operationsverstärker 32 zugeführt. Die Rücksetzbefehle
einer Rücksetzbefehlsschaltung 35, die die entsprechenden
Operationsverstärker 31 und 32 durch Schalter 36 bzw. 37
rücksetzen, werden separat über die Schalter 36 und 37 den
Operationsverstärkern 31 bzw. 32 zugeführt.
Fig. 5 zeigt ein Kurvenschaubild der Übertragungskennlinien
mit offenem Regelkreis eines Positionsregelungssystems für
einen Linearmotor zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Zustandsbeobachtungseinrichtung nach Fig. 3. Die durchgezogenen
Linien 41 und 42 kennzeichnen jeweils eine Verstärkungskennlinie
bzw. eine Phasenkennlinie der Übertragungskennlinie
von der Regelabweichung e zum angenommenen Positionssignal
, und die gestrichelten Linien 43 und 44 kennzeichnen
entsprechend eine Verstärkungskennlinie bzw. eine
Phasenkennlinie der Übertragungskennlinie von der Regelabweichung
e zum festgestellten Positionssignal .
Bei dem wie oben beschrieben gebildeten Rückführungsregler
stimmt, wenn in Fig. 2 die Übertragungskennlinie des Regelglieds
5 Gc 2 (s) und das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 ωOB ist, das angenommene Positionssignal
der Regelgröße mit dem festgestellten Positionssignal
y* im Falle von s = jω und bei den Frequenzen ω « ωOB
über ein, so daß damit der Rückführungsregler den gleichen Betrieb
durchführt wie der herkömmliche Rückführungsregler.
Andererseits nimmt bei einer Frequenz ω » ωOB das angenommene
Positionssignal der Regelgröße den Wert an, der
durch Zuführung der Betriebsgröße u zu einer elektrischen
Schaltung erhalten wird, die die gewünschte Übertragungskennlinie
Gp (s) der Regelstrecke 6 in der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 simuliert und der unabhängig von dem
festgestellten Positionssignal y* bestimmt wird. Dadurch
daß das Frequenzband ωOB niedriger gewählt wird als die
Frequenzen, bei denen die Abweichungen von den gewünschten
Übertragungskennlinien der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung
7, gekennzeichnet durch die Kennlinien Gpn (s) bzw.
Gsn (s), merkbar auftreten, wird der Regler kaum durch
Gpn (s) und Gsn (s) beeinträchtigt. Außerdem werden aus der
Detektorstörung, die in das festgestellte Positionssignal
y* eingemischt ist, die Frequenzkomponenten ω « ωOB eliminiert.
Im nachfolgenden wird die Betriebsweise des Positionsreglers
eines Linearmotors in der besonderen Ausführungsform
nach Fig. 3 näher beschrieben.
Wenn dem Linearmotor 6 ein der Betriebsgröße entsprechender
Treiberstrom u zugeführt wird, so wird im Block 61 eine
Treiberkraft erzeugt, die dem Wert multipliziert mit der
Kraftkonstanten KF äquivalent ist. Die Treiberkraft wird
in Block 62 in eine Beschleunigung umgewandelt und dann
doppelt integriert. Es wirkt dann auf sie eine mechanische
Resonanzkennlinie Gpn (s) ein, und danach wird die Position
y bestimmt. Die Position y wird als festgestelltes Positionssignal
y* vom Positionsdetektor 7 mit der Empfindlichkeit
Ks festgestellt.
Andererseits wird die Betriebsgröße auch der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 zugeführt, so daß sich über die
Verstärkerelemente, die die gewünschte Übertragungskennlinien
der Regelstrecke 6 und der Detektoreinrichtung 7
simulieren, und die Integratoren 111 bis 114 das angenommene
wahrscheinliche Positionssignal ergibt.
Das angenommene Positionssignal wird mit dem festgestellten
Positionssignal y* verglichen, das als anderes Eingangssignal
der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 zugeführt
wird. Der Annahmefehler wird den Eingangssignalen der Integratoren
112 bzw. 113 über die Rückkopplungsverstärkungselemente
115 bzw. 116 hinzuaddiert, und der Betrieb wird so
durchgeführt, daß das angenommene Positionssignal mit
dem festgestellten Positionssignal y* konvergiert. Die Rückkopplungsverstärkungselemente
115 und 116 bestimmen die
Geschwindigkeit der Konvergenz dieser Zustandsbeobachtungseinrichtung
101.
Dann werden eine Übertragungskennlinie Go 2 (s) bei offenem
Regelkreis von der Regelabweichung e zum festgestellten
Positionssignal y* und eine Übertragungskennlinie Go 3 (s)
bei offenem Regelkreis von der Regelabweichung e zum angenommenen
Positionssignal wie folgt berechnet:
Go 2 (s) = (Gc 2 (s) · KFKs/MS²) · Gpn (s) · Gsn (s) (2)
Go 3 (s) = (Gc 2 (s) · KFKs/MS²) · (S² + (L 1 · S + L 2) Gpn (s) · Gsn (s))/(S² + (L 1 · S + L 2) -(3)
Hierbei ist der Eigenwert von
S² + L 1 · S + L 2 = 0 (4)
das heißt der Pol der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 ist
beispielsweise in einem Butterworth-Format wie folgt in
der komplexen Ebene angeordnet:
L 1 = ωOB², L 2 = 2 ζωOB (5)
wobei ζ = 0,707 ist.
Wenn in Gleichung (3) die Frequenz, bei der die mechanische
Resonanzkennlinie Gpn (s) einen Scheitel hat, ωm ist, wobei
ωOB « ωm ist, so kann die Scheitelverstärkung durch die
folgende Gleichung angenähert werden, indem der Absolutwert
mit Einsetzen von S = jωm in Gleichung (3) berechnet wird,
und dadurch ergibt sich, daß der mechanische Resonanzscheitel
bei 1,414ωOB/ωm unterdrückt wird.
(1,414ωOB/ωm) · | Gpn (jωm) | (6)
Wenn in ähnlicher Weise ωOB äquivalent zum Frequenzband
der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 kleiner gemacht
wird als der Reziprokwert der Verzögerungszeit, so wird
die Verzögerungszeit Kennlinie Gsn (s) auch durch die Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 unterdrückt.
Darüber hinaus wird selbst dann, wenn die Regelstrecke 6
oder die Detektormeßeinrichtung eine nichtlineare Kennlinie
aufweisen, dadurch daß ωOB kleiner gewählt wird als die
Frequenz, bei der die nichtlineare Kennlinie auftritt, die
nichtlineare Kennlinie auch durch die Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 kompensiert.
Dadurch, daß das Frequenzband ωOB der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 wie oben beschrieben niedriger gewählt
wird, werden unerwünschte Frequenzkennlinien beim Hochfrequenzband
der Regelstrecke 6 und der Detektormeßeinrichtung
7 durch gewünschte Übertragungskennlinien der Regelstrecke
6 und der Detektoreinrichtung 7 ersetzt, die in der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 installiert sind. Damit
wird die Hochfrequenzkennlinie des offenen Regelkreises
beim Rückführungsregelungssystem verbessert, und die Überschneidungsfrequenz
des Rückführungsregelungssystems kann
höher gewählt werden.
In Fig. 5 kennzeichnen die gestrichelten Linien bzw. durchgezogenen
Linien die Verstärkungskennlinien und Phasenkennlinien
nach den Gleichungen (2) bzw. (3). Die Übertragungskennlinie
im offenen Regelkreis hat im Falle ohne die Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 nach Gleichung (2) hohe
Scheitelwerte in der Verstärkungskennlinie beim Hochfrequenzband
aufgrund der zwei Punkte der mechanischen Resonanzkennlinie
und der Verzögerungskennlinie, und die Phase
eilt stark hinterher. Damit wird durch Rückführung des festgestellten
Positionssignals y* das Rückführungsregelungssystem
offensichtlich instabil und durch Rückführung des
von der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 angenommenen
wahrscheinlichen Positionssignal stabilisiert. Zusätzlich
dazu ist die Übertragungskennlinie Gc 2 (s) des Regelglieds
5 ein bekannter Primär-Phasenvoreil-Kompensator.
Fig. 4 zeigt ein Schaltungsdiagramm, mit dem die Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 nach Punkt 3 realisiert wird.
Die Differenz zwischen dem festgestellten Positionssignal
y* und dem vorgenommenen Positionssignal wird in dem Operationsverstärker
33 berechnet, und im Operationsverstärker
31 werden das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33
und die Wechselspannungskomponente des Treiberstroms u des
Linearmotors mit den Verstärkungen der Rückkopplungsverstärkungselemente
115 bzw. 111 multipliziert, danach addiert
und integriert. Danach werden das Ausgangssignal des
Verstärkers 31 und ein Signal, das so erzeugt wird, daß
das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 durch den
Operationsverstärker 34 zeicheninvertiert und mit dem Verstärkungsfaktor
des Rückkopplungsverstärkungselements 116
multipliziert wird, miteinander addiert und durch den Operationsverstärker
32 integriert, wodurch das angenommene Positionssignal
y ausgegeben wird.
Normalerweise wirkt oft eine konstante Dauerbelastung, wie
etwa die Schwerkraft, auf die Regelstrecke 6 ein. Zur Kompensation
dieser Belastung wird die Gleichspannungskomponente
automatisch dem Treiberstrom u des Linearmotors überlagert.
Dann kann das dem richtigen Wert näherliegende angenommene
wahrscheinliche Positionssignal dadurch erhalten
werden, daß nur die Wechselspannungskomponente des Treiberstroms
u des Linearmotors dem Operationsverstärker 31 zugeführt
wird, ohne daß der Gleichspannungsannahmefehler dem
angenommenen Positionssignal überlagert wird.
Wenn das Positionsregelungssystem nicht in Betrieb ist,
werden die Integratoren 31 und 32 aufgrund des Ausgangssignals
der Rücksetzbefehlausgabeschaltung 35 über die Schalter
36 bzw. 37 rückgesetzt. Gleichzeitig mit dem Start des
Betriebs des Positionsregelungssystems wird die Rücksetzung
freigegeben oder das festgestellte Positionssignal y* und
der Treiberstrom u des Linearmotors, die die beiden Eingangssignale
der Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 sind,
werden auf 0 gesetzt, wodurch das angenommene Positionssignal
auf 0 gehalten wird, während der Linearmotor in einem
anderen Regelungsmodus als dem Positionsregelungsmodus gehalten
wird. Damit kann der Betrieb der Positionsregelung
über die ganze Zeit hinweg stabil gehalten werden, ohne
daß das Positionsregelungssystem durch einen falschen Anfangswert
des angenommenen Positionssignals zu dem Zeitpunkt
gestört wird, wenn das Positionsregelungssystem zu
arbeiten beginnt.
In Fig. 4 ist die Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 durch
einen Operationsverstärker realisiert. Sie kann jedoch auch
durch eine Digitalschaltung mit einem Mikroprozessor oder
einem Digitalprozessor realisiert werden.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild entsprechend Fig. 3. Die
6 Blöcke 111 bis 116 in Fig. 3 sind in einem Block 121,
dem der Treiberstrom u des Linearmotors zugeführt wird,
und einem Block 122 zusammengefaßt, dem das festgestellte
Positionssignal y* zugeführt wird und ein Signal, das durch
Addition der entsprechenden Ausgangssignale erzeugt wird,
wird das angenommene Positionssignal , das zum Vergleicher
2 rückgeführt wird. Die übrige Betriebsweise und Leistungen
sind ähnlich wie in Fig. 3. Da hier der Block 122 die Primär-Integralkennlinie
bei Frequenzen von ωOB oder höher
zeigt, wird festgestellt, daß die Zustandsbeobachtungseinrichtung
101 die Funktion hat, die Störung zu eliminieren,
die in das festgestellte Positionssignal y* gemischt wurde.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rückkopplungsregelungssystems
bei einem Linearmotor. Dieses Rückkopplungsregelungssystem
kann dadurch stabilisiert werden,
daß ein Signal zurückgeführt wird, das durch Weitergabe
eines angenommenen Geschwindigkeitssignals durch ein Rückkopplungsverstärkungselement
203 zusätzlich zu dem von der
Zustandsbeobachtungseinrichtung 101 angenommenen wahrscheinlichen
Positionssignal erzeugt wird. In diesem Fall muß
das Regelglied 5 nicht immer ein Primär-Phasenvoreil-Kompensationselement
sein, sondern kann einfach auch ein Verstärkungselement
sein.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehpositionsregelungssystems
eines Gleichstrommotors, das eine weitere Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Wenn der Treiberstrom
u einem Gleichspannungsmotor 6 zugeführt wird, der das zu
regelnde Objekt darstellt, wird in einem Block 63 eine Drehkonstante
KT des Gleichspannungsmotors 6 mit dem Reziprokwert
eines Trägheitsmoments J multipliziert und integriert
und danach der mechanischen Resonanzkennlinie Gpn (s) unterzogen,
so daß sich die Drehgeschwindigkeit ergibt. Sie wird
in einem Block 64 noch einmal integriert, so daß sich die
Drehposition ergibt.
Die Drehgeschwindigkeit, die die Zustandsgröße v des Gleichstrommotors
6 ist, und die Drehposition, die die Regelgröße
y ist, werden durch eine Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung
8, bzw. eine Drehpositionsdetektoreinrichtung 7
als ein Drehgeschwindigkeitssignal v* bzw. ein Drehpositionssignal
y* gemessen, und sie werden jeweils einer
Zustandsbeobachtungseinrichtung 201, die die gewünschten
Kennlinien des Blocks 63 simuliert, der Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung
8, der Zustandsbeobachtungseinrichtung
101, die die gewünschten Kennlinien der Blöcke 62
und 63 simuliert, bzw. der Drehpositionsdetektoreinrichtung
7 zugeführt. Den Zustandsbeobachtungseinrichtungen 201 und
101 wird zusätzlich der Treiberstrom u über einen Hochpaßfilter
202 zugeführt und das angenommene Drehgeschwindigkeitssignal
und das angenommene Drehpositionssignal
werden ausgegeben. Das angenommene Drehgeschwindigkeitssignal
wird zusammen mit dem angenommenen Drehpositionssignal
über ein Verstärkungselement 203 zum Vergleicher rückgeführt
und die Differenz bezüglich des Drehbezugseingangssignals
r wird die Regelabweichung e. Im Regelglied 5 wird
der Treiberstrom u des Gleichspannungsmotors so bestimmt,
daß die Regelabweichung e möglichst klein wird.
Die Zustandsbeobachtungseinrichtungen 201 und 101 kompensieren
Gvn (s) bzw. Gsn (s), die Abweichungen von den gewünschten
Übertragungskennlinien der Drehgeschwindigkeitsdetektoreinrichtung
8 bzw. der Drehpositionsdetektoreinrichtung
7 darstellen, und arbeiten so, daß die in die Detektoreinrichtung
eingemischten Störungen eliminiert werden. Es ist
nicht immer erforderlich, beide Zustandsbeobachtungseinrichtungen
201 und 101 vorzusehen, und es ist auch möglich,
daß entweder das Drehgeschwindigkeitssignal v*, das die
von der Detektoreinrichtung 8 ausgegebene Zustandsgröße
ist, oder das Drehpositionssignal y*, das die von der Detektoreinrichtung
7 ausgegebene Regelgröße ist, angenommen
werden und das Ausgangssignal der anderen Detektoreinrichtung
unverändert zurückgeführt wird.
In der obigen Beschreibung wurden der Linearmotor und der
Gleichspannungsmotor als Beispiele für eine Regelstrecke
6 genannt. Es ist jedoch möglich, die Erfindung bei irgendeinem
zu regelnden Objekt anzuwenden, bei dem die Zustandsgröße
oder die Regelgröße bestimmt werden können, wie beispielsweise
in einer Temperaturregelungsanlage.
Wie aus der obigen Beschreibung der Erfindung ersichtlich
ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Rückführungsregler eine
Zustandsbeobachtungseinrichtung vorgesehen, der als Eingangssignale
die Zustandsgröße oder die Regelgröße, ausgegeben
von der Detektoreinrichtung und die Betriebsgröße zugeführt
werden, und bei der ein Wert der Zustandsgröße oder
der Regelgröße näher beim richtigen Wert angenommen wird
und diese Größe zurückgeführt wird. Damit können Abweichungen
von gewünschten Kennlinien beim Hochfrequenzband, wie
etwa der mechanischen Resonanzkennlinie und der Verzögerungszeitkennlinie
bezüglich der Regelstrecke und der Detektoreinrichtung
kompensiert und die in die Detektoreinrichtung
eingemischte Störung eliminiert werden. Aus diesen
Gründen kann das Frequenzband des Rückführungsregelungssystems
ausgeweitet und ein Rückführungsregler höherer Leistung
geschaffen werden.
Claims (8)
1. Rückführungsregler mit
einem Bezugseingangselement (1), das einen gewünschten
Wert einer Regelgröße (y) oder einer Zustandsgröße (v) ei
ner Regelstrecke (6) in eine elektrische Führungsgröße bzw.
ein Bezugseingangssignal (r) umwandelt, wobei eine Be
triebsgröße (u) ein Eingangssignal der Regelstrecke (6) und
die Regelgröße oder Zustandsgröße ein Ausgangssignal der
Regelstrecke (6) ist,
einem Vergleicher (2) zum Vergleichen der elektrischen Füh rungsgröße (r) mit einem Rückführungssignal (; ), einer Detektoreinrichtung (7) zum Feststellen der Regel größe (y) oder der Zustandsgröße (v) der Regelstrecke (6) und
eine Zustandsbeobachtungseinrichtung (101), der die Be triebsgröße (u) und die festgestellte Regelgröße (y*) oder die festgestellte Zustandsgröße (v*) als Eingangssignal zu geführt werden und die einen angenommenen Wert der Regel größe () oder der Zustandsgröße () als Rückführungssignal ab gibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) niedriger gewählt wird als die Frequenzen, bei denen die Abweichungen von den gewünschten Übertragungskennlinien der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) auftreten, oder als die Frequenz einer in die Detektoreinrichtung (7) eingemischten Störung.
einem Vergleicher (2) zum Vergleichen der elektrischen Füh rungsgröße (r) mit einem Rückführungssignal (; ), einer Detektoreinrichtung (7) zum Feststellen der Regel größe (y) oder der Zustandsgröße (v) der Regelstrecke (6) und
eine Zustandsbeobachtungseinrichtung (101), der die Be triebsgröße (u) und die festgestellte Regelgröße (y*) oder die festgestellte Zustandsgröße (v*) als Eingangssignal zu geführt werden und die einen angenommenen Wert der Regel größe () oder der Zustandsgröße () als Rückführungssignal ab gibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Frequenzband der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) niedriger gewählt wird als die Frequenzen, bei denen die Abweichungen von den gewünschten Übertragungskennlinien der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) auftreten, oder als die Frequenz einer in die Detektoreinrichtung (7) eingemischten Störung.
2. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie
aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn
linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist,
bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über
tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung
(7) als nicht-lineare Kennlinie definiert ist.
3. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie
aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn
linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist,
bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über
tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung
(7) als Verzögerungskennlinie definiert ist.
4. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) eine Übertragungskennlinie
aufweist, die keine Abweichung von der gewünschten Übertragungskenn
linie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung (7) aufweist
bzw. diese eliminiert, und daß die Abweichung von der gewünschten Über
tragungskennlinie der Regelstrecke (6) oder der Detektoreinrichtung
(7) als mechanische Resonanzkennlinie definiert ist.
5. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß der Zustandsbeobachtungseinrichtung (101) die Wechsel
spannungskomponente der Betriebsgröße (u) als Eingangssignal
zugeführt wird.
6. Rückführungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
daß die Zustandbeobachtungseinrichtung (101) einen Integrator
aufweist.
7. Rückführungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
daß der Integrator in den Zustand Null gesetzt wird, wenn
der Rückführungsreger nicht in Betrieb ist.
8. Rückführungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
daß das Eingangssignal der Zustandsbeobachtungseinrichtung
(101) in den Zustand Null gesetzt wird, wenn der Rückführungsreger
nicht in Betrieb ist.
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DE3839878A1 (de) | 1989-06-15 |
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US5032777A (en) | 1991-07-16 |
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