DE4425355A1 - Regelung für den Antrieb eines Haspels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelung für den Antrieb eines Haspels, bei dem periodisch Störungen, insbesondere Zug­ schwankungen, auftreten, die durch Unrundheiten des Haspels im Bereich der Einspannstelle für das auf- oder abzuwickelnde Ma­ terial hervorgerufen werden, mit einer Einrichtung zur Stö­ rungserkennung, die während jeder Umdrehung des Haspels eine maximale Schwankung im Verlauf einer störungsbehafteten Meß­ größe, insbesondere der Zugspannung im Material, detektiert, und mit einer Einrichtung zur Störungskompensation, die für die nächste Umdrehung in Abhängigkeit von dem Auftreten der detektierten Meßgrößenschwankung ein Aufschaltsignal für die Regelung erzeugt.

Bei einer derartigen, aus der DE-A-40 10 352 bekannten Rege­ lung werden periodisch auftretende Haspelzugschwankungen zu­ sammen mit dem jeweils momentanen Drehwinkel des Haspels er­ faßt. Ausgehend von den erfaßten Haspelzugschwankungen wird deren periodische Wiederholung vorausberechnet und zur Vor­ steuerung der Regelung des Haspels im Sinne einer Kompensation der Haspelzugschwankungen herangezogen. Wie die Vorsteuerung im einzelnen erfolgt, ist der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßig wirkende Kompensation von Haspelzugschwankungen zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Regelung der eingangs angegebenen Art bei jeder Umdrehung ein Wert für die Größe der Meßgrößenschwankung ermittelt wird, daß der ermittelte Wert zu einem Anfangswert hinzuaddiert wird, daß mit dem so erhaltenen Summenwert die Größe des Auf­ schaltsignals eingestellt wird und daß der Summenwert als An­ fangswert für die Summenwertbildung bei der nächsten Umdrehung herangezogen wird. Dadurch wird automatisch eine adaptive An­ passung der Größe des Aufschaltsignals an die Größe der auf­ tretenden Störung erreicht, so daß eine optimale Störungskom­ pensation erfolgt. Indem die Meßgrößenschwankungen vorzeichen­ richtig erfaßt und zu dem jeweiligen Anfangswert hinzuaddiert werden, können auch kurzzeitige Überkompensationen der Störun­ gen schnell wieder zurückgeregelt werden.

Zur Ermittlung des Auftretens und der Dauer der Störung wird vorzugsweise beim Starten des Haspelantriebs während einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen des Haspels der Verlauf der Meßgröße mit einem Bezugswert, insbesondere dem Mittelwert der Meßgröße, verglichen, wobei das Auftreten des Maximums der Abweichung der Meßgröße von dem Bezugswert und der Bereich vor und nach dem Auftreten des Maximums detektiert werden, während dessen die Meßgröße in gleicher Richtung wie das detektierte Maximum von dem Bezugswert abweicht. Auf diese Weise werden bezogen auf den Drehwinkel des Haspels der Ort und die Dauer der periodisch mit der Drehzahl des Haspels auftretenden Stö­ rungen ermittelt.

Da die Auswertung der Meßgrößenschwankungen während einer Um­ drehung des Haspels möglichst nur periodische Störungen, also den Haspelschlag erfassen soll, ist es erforderlich, dabei solche Störungen unberücksichtigt zu lassen, die vereinzelt oder nur während einer Umdrehung auftreten, d. h. zufällige Störungen. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, daß bei der Bestimmung des Verlaufs der Meßgröße laufend einzelne Meßwerte der Meßgröße zusammen mit dem jeweiligen momentanen Drehwinkel des Haspels erfaßt werden und daß die bei jeder Umdrehung erhaltenen Meßwerte zusammen mit den bei vorangegangenen Um­ drehungen und jeweils gleichen Drehwinkeln erhaltenen Meßwer­ ten gemittelt werden.

Nach der Ermittlung des Ortes und der Dauer der periodischen Störungen wird in Abhängigkeit davon periodisch das Aufschal­ tungssignal für die Regelung des Haspels erzeugt, wobei die Größe des Aufschaltsignals in Abhängigkeit von den Meßgrößen­ schwankungen eingestellt wird. Dabei wird der jeweilige Wert für die Größe der Meßgrößenschwankung in vorteilhafter Weise dadurch ermittelt, daß während jeder Umdrehung des Haspels der Verlauf der Meßgröße mit dem Bezugswert verglichen wird und die Abweichung zwischen dem Verlauf der Meßgröße und dem Be­ zugswert während der detektierten Dauer der Störung aufinte­ griert wird. Der so erhaltene Integrationswert entspricht der Energie der Störung während der ermittelten Störungsdauer.

Das Aufschaltsignal ist vorzugsweise ein Rechteckimpuls mit einer der detektierten Dauer der Störung entsprechenden Im­ pulsbreite und einer dem Summenwert entsprechenden Amplitude. Durch diese Anpassung des Aufschaltimpulses an die erfaßte Störung wird sowohl bezüglich der Amplitude als auch der Dauer eine optimal wirksame Störungskompensation erzielt.

Da im Falle des Haspelschlags die periodisch auftretenden Stö­ rungen auch in ihrer Größe drehzahlabhängig sind, wird vor­ zugsweise der zur Einstellung der Größe des Aufschaltsignals herangezogene Summenwert in Abhängigkeit von der Drehzahl des Haspels gewichtet. Hierdurch wird die Schnelligkeit bei der adaptiven Anpassung der Größe der Aufschaltsignals an die Größe der Störungen erhöht.

Zur Berücksichtigung von Totzeiten und Verzögerungen des Re­ gelsystems, die bei höherfrequenten Störungen eine rechtzei­ tige, d. h. zum Zeitpunkt des Auftretens der Störung wirksame, Kompensation verhindern, wird das Aufschaltsignal für die Re­ gelung gegenüber dem Auftreten der Störungen um einen vorgege­ benen, insbesondere drehzahlabhängigen, Betrag zeitverschoben erzeugt. Die Zeitverschiebung kann dabei während der Inbe­ triebnahme einjustiert werden oder bei genauer Kenntnis der Regelstrecke analytisch vorbestimmt werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Nachführung des Zeitpunktes zur Erzeugung des Aufschaltsignals während des Betriebes, wobei der Betrag der Zeitverschiebung in Abhängigkeit von einer sta­ tistischen Auswertung des Verlaufs der Meßgröße, insbesondere einer Minimierung der Standardabweichung, optimiert wird.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figu­ ren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Regelung und

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der störungsbehafteten Meßgröße und den Aufschaltsignalen zur Kompensation der Störungen.

Fig. 1 zeigt einen Haspel 1 zum Auf- oder Abwickeln eines Me­ tallbandes 2. Zum Antrieb des Haspels 1 dient ein Motor 3 mit einer zugehörigen Regelung 4. Der Haspel 1 weist im Bereich der Einspannstelle für das Metallband 2 eine Unrundheit 5 auf, die beim Auf- und Abwickeln des Bandes 2 zu Zugschwankungen im Metallband 2 führt.

In Fig. 2 ist ein Beispiel für den Verlauf der Zugspannung F_z zusammen mit ihrem Mittelwert MF_z in Abhängigkeit von der Zeit t bzw. dem Umdrehungswinkel α des Haspels 1 dargestellt.

Zur Kompensation der Zugschwankungen ist es zunächst erfor­ derlich, diese zu identifizieren. Dazu werden nach dem Starten des Motors 3 während einer vorgegebenen Anzahl von beispiels­ weise 5 bis 10 Haspelumdrehungen mittels einer Meßrolle 6 Ist­ werte der Zugspannung F_z erfaßt und in einer nachgeordneten Einheit 7 aufbereitet. Die mit 20 und 21 bezeichneten Schalter befinden sich jeweils in den Schaltstellungen "0". Da in den aufgenommenen Zugistwerten Meßfehler auftreten können, werden die Zugistwerte F_z in der Einheit 7 numerisch geglättet und so interpoliert, daß sie bezogen auf die momentane Winkelstellung α des Haspels 1 äquidistant vorliegen. Hierzu wird der Einheit 7 der von einem Winkelgeber 11 laufend erfaßte aktuelle Umdre­ hungswinkel α des Haspels 1 zugeführt. Ferner werden die wäh­ rend einer vorgegebenen Anzahl von etwa 5 bis 10 Umdrehungen bei jeweils gleichem Drehwinkel α erfaßten Zugistwerte F_z ge­ mittelt. Hierdurch gelingt es, solche Zugschwankungen zu eli­ minieren, die von einem anderen Haspel am anderen Ende des Bandes 2 verursacht werden und antizyklisch zu den zu identi­ fizierenden Zugschwankungen auftreten.

Die aufbereiteten Zugistwerte F_z werden in einem Mittelwert­ bildner 8 über die Dauer einer Haspelumdrehung zu dem Mittel­ wert MF_z gemittelt, der in einer nachfolgenden Subtrahierstufe 9 von den Zugistwerten F_z subtrahiert wird. Die so erhaltene Abweichung ΔF_z zwischen dem Verlauf der Zugspannung F_z und ihrem Mittelwert MF_z wird in einer Auswerteeinheit 10 zur Identifizierung der durch die Unrundheit 5 des Haspels 1 her­ vorgerufenen Zugspannungsschwankungen zugeführt. In der Aus­ werteeinheit 10 werden zunächst für jede Umdrehung, d. h. für den Winkelbereich 0° α 360°, die maximale Abweichung ΔF_{z max} und der Ort x ihres Auftretens detektiert. Durch Integra­ tion wird die in Fig. 2 schraffiert dargestellte Fläche zwi­ schen dem Mittelwert MF_z und dem Verlauf der Zugspannung F_z zwischen ihren beiderseits der Stelle x der maximalen Abwei­ chung liegenden Schnittpunkten mit dem Mittelwert MF_z ermit­ telt und durch Division durch die maximale Abweichung ΔF_{z max} in ein flächengleiches Rechteck R umgewandelt, durch dessen Impulsbreite die Dauer b der Störung definiert wird. Der An­ fang so der Störung und damit der theoretische Zeitpunkt zum Aufschalten eines die Störung kompensierenden Aufschaltsignals berechnet sich zu s_o = x-b/2. Tritt der Ort x der maximalen Ab­ weichung ΔF_{z max} am Rande des Meßintervalls 0° α 360° auf, so können sich sowohl bei der Identifikation als auch bei der Kompensation der Störungen Schwierigkeiten durch die Unstetig­ keit des laufenden Winkels α ergeben. Deshalb wird vorzugs­ weise eine Winkeltransformation durchgeführt, die den Ort x der maximalen Abweichung ΔF_{z max} in die Mitte des Meßinter­ valls, also auf 180°, legt.

Im Anschluß an die Identifizierung der periodisch auftretenden Störungen erfolgt deren Kompensation während der nun folgenden Haspelumdrehungen mit Hilfe von rechteckförmigen Aufschaltsi­ gnalen A, die zu den Zeitpunkten bzw. Winkelstellungen des Haspels 1, an denen die Störungen auftreten, der Regelung 4 aufgegeben werden und deren Impulsdauern der für die Störungen ermittelten Dauer b entsprechen. Um Totzeiten und Verzögerun­ gen T_v des Regelsystems zu berücksichtigen, wird der Beginn s_A der Aufschaltung des Aufschaltsignals A in Abhängigkeit von der mittels eines Drehzahlgebers 12 erfaßten Drehzahl n des Haspels 1 mit s_A = s_o-f(n), vorzugsweise s_A = s_o-n_* T_v, berechnet. Die Gesamtverzögerung T_v kann während der Inbetriebnahme ein­ justiert werden oder bei genauer Kenntnis der Regelstrecke auch analytisch bestimmt werden. Um eine optimale Störungskom­ pensation zu erzielen, wird in einer Einheit 13 die Standard­ abweichung der Größe ΔF_z über jeweils eine Umdrehung ermittelt und in einer nachfolgenden Einheit 14 durch Minimierung der Standardabweichung als Funktion des Aufschaltzeitpunkts s_A der optimale Aufschaltzeitpunkt s_A ermittelt.

Zur Bestimmung der Amplitude des Aufschaltsignals A wird bei Stellung der Schalter 20 und 21 in den Schaltstellungen "1" die Abweichung ΔF_z zwischen dem Verlauf der Zugspannung F_z und ihrem Mittelwert MF_z über einen ersten steuerbaren Schalter 15 einem Integrator 16 zugeführt. Der steuerbare Schalter 15 wird durch die Auswerteeinheit 10 in der Weise gesteuert, daß er in dem Zeitintervall s_o α s_o+b geschlossen ist. Der so erhal­ tene Integrationswert wird über einen zweiten steuerbaren Schalter 17 einem Multiplizierglied 18 zugeführt, an dessen Ausgang das Aufschaltsignal A für die Regelung 4 zur Verfügung steht. Der zweite steuerbare Schalter 17 wird ebenfalls durch die Auswerteeinheit 10 gesteuert und ist während des Zeitin­ tervalls s_A α s_A+b geschlossen. Der steuerbare Schalter 17 erzeugt somit ein Rechtecksignal mit der Dauer b und mit einer Amplitude, die der Summe aus dem Anfangswert des Integrators 16 und dem Integral der Abweichung ΔF_z zwischen dem Verlauf der Zugspannung F_z und ihrem Mittelwert MF_z während der ermit­ telten Dauer s_o α s_o+b der Störung entspricht. Wird, wie Fig. 2 zeigt, während einer Umdrehung des Haspels 1 aufgrund der gemessenen Zugspannungsschwankung für die nächste Umdre­ hung ein Aufschaltimpuls mit der Amplitude A1 ermittelt, so führt dieser Aufschaltimpuls A1 zu einer Verringerung der Stö­ rung während dieser nächsten Umdrehung. Der Integrator 16 in­ tegriert den nunmehr geringeren Fehler zwischen dem Verlauf der Zugspannung F_z und deren Mittelwert MF_z in dem Intervall s_o α s_o+b zu dem Anfangswert A1 hinzu, so daß für die nachfolgende Umdrehung ein Aufschaltimpuls mit der Amplitude A2 erhalten wird. Da die Integration des Fehlers ΔF_z vorzei­ chenrichtig erfolgt, kann auch eine Überkompensation der Stö­ rung aufgrund des dadurch entstehenden negativen Fehlers ΔF_z wieder zurückgeregelt werden.

Mit Hilfe des Multiplizierers 18 wird die Amplitude des Auf­ schaltsignals A in Abhängigkeit von der Drehzahl n gewichtet, die dem Multiplizierer 18 über ein Anpaßglied 19 zugeführt wird. Dadurch wird die Drehzahlabhängigkeit der Amplitude der Störungen berücksichtigt, was zu einer Entlastung des Inte­ grationsvorganges und zu einer Erhöhung der Stabilität der Re­ gelung führt.

Claims (8)

1. Regelung für den Antrieb eines Haspels (1), bei dem pe­ riodisch Störungen, insbesondere Zugschwankungen, auftreten, die durch Unrundheiten (5) des Haspels (1) im Bereich der Einspannstelle für das auf- oder abzuwickelnde Material (2) hervorgerufen werden, mit einer Einrichtung (10) zur Störungserkennung, die während jeder Umdrehung des Haspels (1) eine maximale Schwankung im Verlauf einer störungsbehaf­ teten Meßgröße, insbesondere der Zugspannung (F_z) im Mate­ rial (2), detektiert, und mit einer Einrichtung (15, 16, 17, 18) zur Störungskompensation, die für die nächste Umdrehung in Abhängigkeit von dem Auftreten der detektierten Meßgrö­ ßenschwankung ein Aufschaltsignal (A) für die Regelung (4) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Umdrehung ein Wert für die Größe der Meßgrö­ ßenschwankung ermittelt wird, daß der ermittelte Wert zu ei­ nem Anfangswert hinzuaddiert wird, daß mit dem so erhaltenen Summenwert die Größe des Aufschaltsignals (A) eingestellt wird und daß der Summenwert als Anfangswert für die Summen­ wertbildung bei der nächsten Umdrehung herangezogen wird.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Auftretens und der Dauer (b) der Störung während einer vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen des Haspels (1) der Verlauf der Meßgröße (F_z) mit einem Bezugswert, insbesondere dem Mittelwert (MF_z) der Meßgröße (F_z), verglichen wird, und daß das Auftreten des Maximums der Abweichung (ΔF_{z max}) der Meßgröße (F_z) von dem Bezugs­ wert (MF_z) und der Bereich vor und nach dem Auftreten des Maximums (ΔF_{z max}) detektiert werden, während dessen die Meßgröße (F_z) in gleicher Richtung wie das detektierte Maximum (ΔF_{z max}) von dem Bezugswert (MF_z) abweicht.

3. Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Verlaufs der Meßgröße (F_z)laufend einzelne Meßwerte der Meßgröße (F_z) zusammen mit dem je­ weiligen momentanen Drehwinkel (α) des Haspels (1) erfaßt werden und daß die bei jeder Umdrehung erhaltenen Meßwerte zusammen mit den bei vorangegangenen Umdrehungen und jeweils gleichen Drehwinkeln (α) erhaltenen Meßwerten gemittelt werden.

4. Regelung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Wertes für die Größe der Meßgrößen­ schwankung während jeder Umdrehung des Haspels (1) der Ver­ lauf der Meßgröße (F_z) mit dem Bezugswert (MF_z) verglichen wird und daß die Abweichung (ΔF_z) zwischen dem Verlauf der Meßgröße (F_z) und dem Bezugswert (MF_z) während der ermittel­ ten Dauer (b) der Störung aufintegriert wird.

5. Regelung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschaltsignal (A) ein Rechtecksignal mit einer der detektierten Dauer (b) der Störung entsprechenden Impuls­ breite und einer dem Summenwert entsprechenden Amplitude (A1, A2) ist.

6. Regelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Einstellung der Größe des Aufschaltsignals (A) herangezogene Summenwert in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) des Haspels (1) gewichtet wird.

7. Regelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschaltsignal (A) für die Regelung (4) gegenüber dem Auftreten (s_o) der Störungen um einen vorgegebenen, ins­ besondere drehzahlabhängigen, Betrag zeitverschoben erzeugt wird.

8. Regelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Zeitverschiebung in Abhängigkeit von ei­ ner statistischen Auswertung des Verlaufs der Meßgröße (F_z), insbesondere einer Minimierung der Standardabweichung, opti­ miert wird.