DE1095371B

DE1095371B - Arrangement for counter-coupled frequency-dependent feedback in a control loop

Info

Publication number: DE1095371B
Application number: DEL22678A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Robert Joetten; Dipl-Ing Ernst Golde
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1955-08-11
Filing date: 1955-08-11
Publication date: 1960-12-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur gegengekoppelten frequenzabhängigen Rückführung in einem Regelkreis über eine Kette von Regelkreisgliedern, insbesondere mit Trägheitsgliedern, mit dämpfenden und schwingungsfähigen Rückführungsgliedern. The invention relates to an arrangement for frequency-dependent feedback with negative feedback in a control loop via a chain of control loop elements, in particular with inertia elements damping and oscillating feedback elements.

Unter einer Rückführeinrichtung versteht man in der Regeltechnik bekanntlich eine Anordnung, die die Ausgangsgröße eines Regelkreisgliedes erfaßt und über im allgemeinen frequenzabhängige Glieder an anderer Stelle dem Regelkreis, im allgemeinen zum Zweck der Stabilisierung, wieder zuführt. Die Rückführmöglichkeiten über ein Regelkreisglied, z. B. vom Verstärkerausgang auf seinen Eingang, sind verhältnismäßig leicht übersehbar und ausführlich in der Literatur beschrieben. So ist es beispielsweise bekannt, die Schwingneigung eines Regelkreises durch ein auf die Eigenfrequenz des Kreises abstimmbares und in der Dämpfung einstellbares Verzögerungsglied in einem Gegenkopplungszweig herabzusetzen. Zur Beseitigung von Pendelungen ist es in Regeleinrichtungen auch bekannt, dem Regler neben einer dem Istwert proportionalen Größe auch eine seinem Differentialquotienten proportionale Größe aufzuschalten. Es ist auch schon darauf hingewiesen worden, in solchen Fällen von den Möglichkeiten Gebrauch zu machen, die insbesondere frequenzabhängige Rückführungen über mehrere Regelkreisglieder hinweg bieten. Sie sind besonders geeignet, das Frequenzverhalten einer Kette von Regelkreisgliedern zu verbessern, die mehrere Trägheitsglieder enthält, wenn die Ausgangsgröße der Kette ein Strom ist und die betrachtete Kette einen hohen Verstärkungsgrad besitzt. Derartige Anwendungsfälle liegen z. B. vor bei der Drehzahlregelung eines Motors über seinen Feld-Stromkreis oder über den Feldstromkreis eines ihn speisenden Generators mittels eines gittergesteuerten Stromrichters und elektronischer oder magnetischer Verstärker sowie bei Regelungen, die mit Atnplidynen arbeiten.As is known in control technology, a feedback device is an arrangement which the The output variable of a control loop element is detected and generally frequency-dependent elements elsewhere in the control loop, generally for stabilization purposes. The return options via a control loop element, e.g. B. from the amplifier output to its input are proportionate easily overlooked and described in detail in the literature. For example, it is known the tendency of a control loop to oscillate by means of one that can be tuned to the natural frequency of the loop and to reduce the delay element adjustable in the damping in a negative feedback branch. To eliminate oscillations, it is also known in control devices to use the controller in addition to one of the Actual value proportional variable also to apply a variable proportional to its differential quotient. It has also already been pointed out that the possibilities should be used in such cases make, in particular, frequency-dependent feedback across several control loop elements Offer. They are particularly suitable for improving the frequency behavior of a chain of control loop elements, which contains several inertia links if the output of the chain is a current and the considered chain has a high degree of reinforcement. Such applications are z. B. before the speed control of a motor via its field circuit or via the field circuit of a motor feeding generator by means of a grid-controlled converter and electronic or magnetic Amplifiers as well as controls that work with Atnplidynen.

Bei einer bekannten Steuerung eines Zweiphasenmotors mittels eines dreistufigen magnetischen Verstärkers wird die Ausgangsgröße des magnetischen Verstärkers über ein Dämpfungsnetzwerk auf den Eingang des magnetischen Verstärkers zurückgeführt. Das Dämpfungsnetzwerk besteht dabei aus an die Rückführungsleitung angeschalteten Widerständen und einem zwischen ihnen liegenden Schwingungskreis. Bei dieser Anordnung erfolgt die Rückführung auch bei rein stationärem Verhalten des magnetischen Verstärkers. Sie ist also bei allen Frequenzen, einschließlich der Frequenz Null, wirksam, und es sind keine besonderen Bedingungen an die Abstimmbarkeit des Schwingungskreises gestellt.In a known control of a two-phase motor by means of a three-stage magnetic amplifier the output variable of the magnetic amplifier is transmitted to the via a damping network Input of the magnetic amplifier fed back. The damping network consists of to the Feedback line connected resistors and an oscillating circuit lying between them. With this arrangement, the return occurs even with a purely stationary behavior of the magnetic amplifier. So it is at all frequencies, including the frequency zero, effective, and there are no special conditions on the tunability of the oscillation circuit.

Anordnungarrangement

zur gegengekoppelten frequenzabhängigen Rückführung in einem Regelkreisfor negative feedback, frequency-dependent feedback in a control loop

Anmelder:Applicant:

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H., Frankfurt / M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Robert Jötten, Berlin-Frohnäu,Dr.-Ing. Robert Jötten, Berlin-Frohnäu,

und Dipl.-Ing. Ernst Golde, Berlin-Konradshöhe,and Dipl.-Ing. Ernst Golde, Berlin-Konradshöhe,

sind ails Erfinder genannt wordenall inventors have been named

Von diesen bekannten Anordnungen unterscheidet sich die Erfindung dadurch, daß durch sie das stationäre Verhalten der Kette, über die die Rückführung erfolgt, nicht beeinflußt wird. Dadurch wird die Rückführung auf den nicht stationären Zustand beschränkt. Das hat zur Folge, daß in den stationären Fällen, in denen die Rückführung nicht benötigt wird, sie auch nicht wirksam ist. Dadurch gewinnt man die Möglichkeit, das Frequenzverhalten einer Kette von Regelkreisgliedern in einem wesentlich größeren Umfang zu beherrschen, als es bisher der Fall war. Bei einer Anordnung zur gegengekoppelten frequenzabhängigen Rückführung in einem Regelkreis über eine Kette von Regelkreisgliedern, insbesondere mit Trägheitsgliedern, mit dämpfenden und schwingungsfähigen Rückführungsgliedern wird dies nach der Erfindung dadurch erreicht, daß über einen kapazitiv abgeschlossenen Rückführungstransformator oder einen Stromwandler ein verzögerndes, schwingungsfähiges Rückführglied zweiter Ordnung angekoppelt ist, das in seiner Eigenfrequenz abstimmbar und in seiner Dämpfung einstellbar ist.From these known arrangements, the invention differs in that by it the stationary Behavior of the chain through which the feedback takes place is not influenced. This will cause the repatriation limited to the non-steady state. This has the consequence that in the stationary cases, in who do not need repatriation, it is also not effective. This gives you the opportunity to the frequency behavior of a chain of control loop elements to a much greater extent to master than it was previously the case. In an arrangement for negative feedback, frequency-dependent Feedback in a control loop via a chain of control loop elements, in particular with Inertia members, with damping and oscillating feedback members, this is done according to the invention achieved in that a capacitively closed feedback transformer or a Current transformer a delaying, oscillatory feedback element of the second order is coupled, which is tunable in its natural frequency and adjustable in its damping.

Bei Verwendung eines elektronischen Verstärkers am Anfang der Kette und Auftreten eines Stromes als Ausgangsgröße des Endgliedes der Kette kann die Differentation mit einem an sich bekannten Rückführtransformator erfolgen, dessen durch Luftspaltänderung und Anzapfungen veränderliche sekundärseitige Hauptreaktanz zusammen mit einer Kondensatorenbatterie veränderlicher Größe als Abstimmittel verwendet wird, wobei die an der Kondensatorenbatterie aufgebaute Spannung dem Verstärker am Anfang derWhen using an electronic amplifier at the beginning of the chain and a current occurs The differentiation with a feedback transformer known per se can be used as the output variable of the end link of the chain take place, the secondary side of which can be changed by changing the air gap and taps Main reactance used together with a battery of capacitors of variable size as tuning means the voltage built up on the capacitor bank to the amplifier at the beginning of the

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Kette im gegengekoppelten Sinne zugeführt und die Dämpfung durch einen veränderlichen Widerstand eingestellt wird. Wird ein magnetischer Verstärker am Anfang der Kette verwendet, so kann ein ihrem Ausgangsstrom proportionaler Strom ül>er einen Gleichstromwandler erfaßt und aus diesem der rückzuführende Steuerstrom von der Bürdenspannung abgeleitet werden, der der Rückführwicklung des magnetischen Verstärkers über eine Kondensatorenbatterie einstellbarer Größe und eine Drossel veränderbarer Induktivität sowie einen verstellbaren ohmschen Widerstand in Reihenschaltung zugeführt wird, wobei die Abstimmung durch Veränderung von Induktivität und Kondensator und die Einstellung der Dämpfung durch Verändern des Widerstandes vorgenommen wird. Es ist in diesem Fall aber auch möglich, einen Rückführtransformator mit einstellbarem Luftspalt und Windungsanzapfungen zur Differentation zu benutzen, der auf eine veränderliche Parallelschaltung von Kondensatoren einerseits und die Reihenschaltung eines einstellbaren Dämpfungswiderstandes mit der Rückführwicklung des magnetischen Verstärkers andererseits arbeitet, wobei sekundäre Hauptreaktanz des Rückführtransformators und die Größen der parallelgeschalteten Kondensatoren zur Abstimmung veränderbar sind.Chain fed in the negative feedback sense and the damping by a variable resistance is set. If a magnetic amplifier is used at the beginning of the chain, one of your Output current proportional current ül> it detects a direct current converter and from this the one to be returned Control current can be derived from the burden voltage of the return winding of the magnetic Amplifier via a capacitor bank of adjustable size and a choke variable Inductance and an adjustable ohmic resistance is supplied in series, wherein the adjustment by changing the inductance and capacitor and the adjustment of the damping by changing the resistance. In this case it is also possible to use a Use feedback transformer with adjustable air gap and winding taps for differentiation, the variable parallel connection of capacitors on the one hand and the series connection an adjustable damping resistor with the return winding of the magnetic amplifier on the other hand works, taking secondary main reactance of the feedback transformer and the sizes of the parallel connected Capacitors for tuning are changeable.

Am Beispiel einer Drehzahlregelung über den Feldstromkreis eines Motors mittels eines gittergesteuerten Stromrichters seien einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung beschrieben.Using the example of speed control via the field circuit of a motor using a grid-controlled Some embodiments according to the invention will be described for the converter.

In Fig. 1 bedeutet 1 den in der Drehzahl zu regelnden Motor, 2 eine Drehzahlmeßmaschine als Istwertgeber, 3 einen Sollwertgeber, 4 einen Verstärker, 5 ein Gitter steuergerät, 6 den gesteuerten Feldstromrichter mit dem vereinfacht dargestellten Transformator 7. Die Feldwicklung des Motors ist mit 8 bezeichnet. 9 ist ein Rückführtransformator, der einen einstellbaren Luftspalt und sekundärseitig veränderliche Anzapfungen besitzt. 10 bedeutet einen einstellbaren Dämpfungswiderstand, 11 eine in ihrem Kapazitätswert einstellbare Parallelschaltung von Kondensatoren. Die Spannung an den Kondensatoren wird in den Verstärker 4 zurückgeführt. Die angegebene Polarität der Kondensatorenspannung mit Bezug auf die Vorzeichen der Soll- und Istwertspannung entspricht der Polarität, die sich bei stetiger Abnahme des Feldstromes stationär, nach Abklingen der Eigenschwingung, einstellen würde. Die Abstimmung geschieht durch Luftspaltänderung und Änderung der abgegriffenen Windungszahl der sekundären Hauptreaktanz des Rückführtransformators 9 sowie Änderung der Kapazitäten der Kondensatorenparallelschaltung, bis die Eigenfrequenz des aus den genannten Schaltelementen aufgebauten schwingungsfähigen Kreises etwa der Frequenz, für die die Ver-Stärkungsminderung am größten sein soll, entspricht, das ist im allgemeinen die Eigenfrequenz des geschlossenen Regelkreises oder eine ihr benachbarte Frequenz. Die beste Abstimmung ist experimentell leicht zu finden.In Fig. 1, 1 means the motor whose speed is to be regulated, 2 a speed measuring machine as actual value transmitter, 3 a setpoint generator, 4 an amplifier, 5 a grid control unit, 6 the controlled field converter with the transformer 7, shown in simplified form. The field winding of the motor is denoted by 8. 9 is a feedback transformer with an adjustable air gap and variable taps on the secondary side owns. 10 means an adjustable damping resistance, 11 one in its capacitance value adjustable parallel connection of capacitors. The voltage across the capacitors is in the amplifier 4 fed back. The specified polarity of the capacitor voltage with reference to the sign of the setpoint and actual value voltage corresponds to the polarity that changes with a steady decrease of the field current would be stationary after the natural oscillation had subsided. The vote happens by changing the air gap and changing the tapped number of turns of the secondary main reactance of the feedback transformer 9 as well as changes in the capacitance of the capacitors in parallel, until the natural frequency of the oscillatable built up from the switching elements mentioned Circle roughly corresponds to the frequency for which the gain reduction should be greatest, this is generally the natural frequency of the closed loop or a neighboring one Frequency. The best tuning is easy to find experimentally.

Der resultierende Phasenwinkel der durch die Rückführeinrichtung überbrückten Kette ist, wenn die Gesamtverstärkung der Kette hoch ist, annähernd gleich dem negativen Phasenwinkel des Rückführgliedes und geht in der Nähe der Eigenfrequenz des Verzögerungsgliedes durch Null. Steilheit dieses Nulldurchganges und Breite des Verstärkungsminimums sind mit dem Dämpfungswiderstand 10 einstellbar. Der starke Abfall der rückgeführten Spannung oberhalb der Eigenfrequenz ist hinsichtlich der Welligkeit des Stromes insofern von Vorteil, als dadurch Übersteuerungen des Verstärkers vermieden werden.The resulting phase angle of the chain bridged by the feedback device is when the Overall gain of the chain is high, approximately equal to the negative phase angle of the feedback link and goes through zero in the vicinity of the natural frequency of the delay element. Steepness this Zero crossing and width of the gain minimum are adjustable with the damping resistor 10. The sharp drop in the returned voltage above the natural frequency is advantageous with regard to the ripple of the current, as it does so Overdrive of the amplifier can be avoided.

Wird ein magnetischer Verstärker verwendet, so muß die rückgeführte Größe ein Steuerstrom sein, der, bezogen auf den Strom, von dem die Rückführung abgeleitet wird, einen entsprechenden Frequenzgang hat. Hierzu kann man die in Fig. 2 dargestellte Rückführung verwenden. Bei ihr tritt an Stelle des Rückführtransformators 9 der Fig. 1 ein nicht gezeichneter Gleichstromwandler, an dessen Bürde 13 ein dem Ausgangsstrom der Kette proportionaler Strom abgenommen wird. Als schwingungsfähiger Kreis wirkt in diesem Fall die Reihenschaltung der Parallelschaltung der Kondensatoren 14 mit der veränderlichen Induktivität 16, einschließlich der Rückführwicklungen 17 des magnetischen Verstärkers 18. Für die Dämpfung ist der einstellbare Widerstand 15 zusammen mit dem Bürdenwiderstand 13 bei gegebener ungedämpfter Eigenfrequenz maßgebend.If a magnetic amplifier is used, the returned variable must be a control current that, has a corresponding frequency response based on the current from which the feedback is derived. The return shown in FIG. 2 can be used for this purpose. It takes the place of the feedback transformer 9 of FIG. 1, a direct current converter (not shown), at whose burden 13 an output current proportional current is taken from the chain. In acts as a vibratory circle in this case the series connection of the parallel connection of the capacitors 14 with the variable inductance 16, including the return windings 17 of the magnetic amplifier 18. For damping is the adjustable resistor 15 together with the load resistor 13 for a given undamped Natural frequency decisive.

Näherungsweise kann das gleiche Ergebnis bei Verwendung eines magnetischen Verstärkers auch mit der in Fig. 3 angegebenen Rückführung erreicht werden, mit der sich der erforderliche Frequenzgang aber nur für einen Frequenzbereich, der klein gegen \IT_S, wobei T_s die Zeitkonstante der Rückführwicklung des magnetischen Verstärkers mit Einschluß des Widerstandes 21 ist, ergibt. Bei dieser Schaltung wird die Rückführungsgröße wie in Fig. 1 einem Rückführtransformator 9 entnommen und über eine Parallelschaltung von Kondensatoren 20 und einem in Reihe zu dieser liegenden veränderlichen Widerstand 21 den Rückführwicklungen 17 des magnetischen Verstärkers 18 zugeführt.Approximately the same results when used can of a magnetic amplifier also in Fig. 3 feedback received will be reached at which the required frequency response but only for a frequency range that is small compared \ IT _S, where _S T is the time constant of the feedback winding of the magnetic Amplifier with the inclusion of the resistor 21 results. In this circuit, the feedback variable is taken from a feedback transformer 9, as in FIG.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for negative feedback frequency-dependent feedback in a control loop a chain of control loop elements, in particular with inertia elements, with damping and Vibratory feedback members, characterized in that a capacitively closed Feedback transformer or a current transformer a decelerating, oscillatory Second order feedback element is coupled, which can be tuned in its natural frequency and its damping is adjustable.

2. feedback device according to claim 1, characterized in that when using one electronic amplifier at the beginning of the chain and the appearance of a current as output variable of the end link of the chain the differentiation with a feedback transformer known per se takes place, its secondary-side main reactance, which can be changed by changing the air gap and taps used together with a battery of capacitors of variable size as tuning means the voltage built up on the capacitor bank to the amplifier on The beginning of the chain fed in a negative feedback sense and the damping by a variable Resistance is adjusted.

3. feedback device according to claim 1, characterized in that when using one magnetic amplifier at the beginning of the chain a current proportional to its output current detected via a DC converter and from this the return control current from the Load voltage is derived, which is the reverse

Lead winding of the magnetic amplifier via a capacitor bank of adjustable size and a choke with variable inductance and an adjustable ohmic resistance in Series connection is supplied, the down tuning by changing inductance and capacitor and the adjustment of the attenuation made by changing the resistance will.

4. feedback device according to claim 1, characterized in that when using one magnetic amplifier at the beginning of the chain with a known feedback transformer adjustable air gap and winding taps are used for differentiation based on a different

variable parallel connection of capacitors on the one hand and the series connection of an adjustable one Damping resistor with the return winding of the magnetic amplifier on the other hand works, taking secondary main reactance of the feedback transformer and the sizes of the parallel switched capacitors can be changed for tuning.

Considered publications:
German patent application St 2225 VIII a / 21 a ² (published April 9, 1953);
U.S. Patent No. 2,448,564;
VDE technical reports, 1954, p. III / 36;
Electronics magazine, October 1954, p. 173.

1 sheet of drawings