DE1523535B2

DE1523535B2 - Selbstanpassender Regelkreis

Info

Publication number: DE1523535B2
Application number: DE1523535A
Authority: DE
Inventors: Roger Martin Los Gatos Calif. Bakke (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-08-14
Filing date: 1965-08-06
Publication date: 1974-01-31
Also published as: US3535496A; DE1523535A1; GB1109885A; CH462288A; DE1523535C3; NL6510353A; NL152995B; SE336694B

Description

kann, ohne vorher die Eigenheiten der Anlage im Detail bestimmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eines der Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals sowohl von der Regelkreisverstärkung als auch von der Größe des Störsignals abhängt, und daß wenigstens ein Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Größe des Fehlersignals nur von der Größe des Störsignals abhängt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein simuliertes Modell benutzt wird, keine Störung in das System eingeführt wird und keine Grenzfrequenz eingeführt wird. Ferner kann das System ständig übermäßig gedämpft sein, so daß das System nach einer Störung oder nach einem Wechsel in der Einstellung nicht überschwingen muß. Der erfindungsgemäße Regelkreis weicht vollständig von den bisher bekannten ab und ist nicht nur eine Verbesserung der bereits bekannten Regelkreise.

Im deutschen Patent 1263146 wurde bereits ein selbstanpassendes Regelsystem vorgeschlagen, bei dem die Verstärkung im Regelkreis in Abhängigkeit von der Differenz der Mittelwerte des über zwei Bandpässe geleiteten Fehlersignals gesteuert wird und bei dem die beiden Bandpässe eines Selbstanpassungsrechners_ zusammen im wesentlichen das gesamte FehlessignaT" Frequenzspektrum fassen und dem Summierpunkt, an welchem die Differenz der Mittelwerte auftritt, eine Parallelschaltung aus einem schnell ansprechenden P-Glied und einem trägheitsbehafteten I-Glied nachgeschaltet ist.

Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Regelkreis werden gemäß dem deutschen Patent 1 263 146 zwei Bandpässe verwendet, die zusammen im wesentlichen das gesamte Fehlersignal-Frequenzspektrum umfassen. Dabei liegen die Durchlaßbereiche, wie die F i g. 7 beispielsweise zeigt, beider Bandpässe in Bereichen, in denen die Verstärkungsänderungen voll wirksam sind. Die unteren und oberen Frequenzbereiche, in denen sich die Verstärkungsänderungen nicht aus- \ wirken, werden, wie die F i g. 7 deutlich zeigt, beim Gegenstand des deutschen Patents 1 263 146 überhaupt nicht ausgenutzt. Hier wird die Differenz der Ausgangssignale der Bandpässe nicht direkt zur Beeinflussung des Verstärkungsfaktors ausgenutzt, vielmehr wird dieses Differenzsignal einer Parallelschaltung aus einem schnell ansprechenden P-Glied und einem trägheitsbehafteten I-Glied zugeführt und erst das aus dieser Parallelschaltung erhaltene Signal zur Beeinflussung des Verstärkungsfaktors benutzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regelkreis für den folgendes gilt:

1. Die Energieübertragung ist im allgemeinen eine einförmig ansteigende Funktion, die die Regelkreisverstärkung anzeigt.

2. Die Störsignale (einschließlich beabsichtigter Eingangssignale) in jedem praktischen System gehören mehreren Kategorien an.

3. Jede Kategorie von Störsignalen hat eine verhältnismäßig stabile Energieverteilung, abhängig von der Frequenz, so daß man durch Messen der Stärke von ausgewählten Frequenzkomponenten Signalenergie bei anderen Frequenzen bestimmen kann.

4. Die Energieübertragung eines Systems ist bei bestimmten Frequenzen stark und bei anderen Frequenzen nur schwach oder überhaupt nicht vom Kreisgewinn des Systems abhängig.

Nachstehend soll die Erfindung an Hand der Fi g. 1 bis 8, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt und die Wirkungsweise der Erfindung veranschaulicht sind, erläutert werden.

ίο F i g. 1 zeigt ein Beispiel eines Regelkreises, bei dem die Erfindung anwendbar ist;

F i g. 2 zeigt die Anlagenverstärkung abhängig von der Stellgröße für verschiedene Operationsbedingungen der Anlage;

F i g. 3 zeigt charakteristische Regelgrößen der Anlage in Abhängigkeit von der Zeit, nachdem die Kreisverstärkung sprungartig verändert wurde;

F i g. 4 zeigt das Übertragungsverhältnis bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Verstärkungs-

ao zustände;

F i g. 5 ist eine Flußtafel, welche das erfindungsgemäße Verfahren erläutert;

F i g. 6 zeigt Schaltungselemente zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 7 und 8 zeigen die Frequenzbänder, die bei ■ Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden.

Ein Regelkreis ist in Fi'g. 1 gezeigt. Dieser Regelkreis umfaßt eine Anlage oder einen Vorgang 10 und einen zugehörigen Regler 11. Die Anlage IO fiat ein steuerbares Element 12, das durch eine Stellgröße 17 aktiviert wird, und ein zugehöriges Abtastelement 14, das eine Regelgröße 15 hervorbringt. Der Regler 11 umfaßt einen Eingang 16, dem eine Sollgröße zugeführt wird. Die Anlage 10 kann beispielsweise ein relativ einfaches hydraulisches System mit einer Reihe von Röhren und Tanks sein. In diesem Fall kann das regelbare Element 12 ein Ventil sein, das den Zufluß in das System reguliert, und das Abtastelement 14 kann ein Sender sein, der ein Signal erzeugt, welches den Flüssigkeitsstand in einem Reservoir im System anzeigt. Die Anlage 10 kann auch eine umfangreiche katalytisch^ Spaltanlage oder ein Flugzeug sein. In einer katalytischen Spaltanlage kann das steuerbare Element 12 ein Dampfventil sein, das die Temperatur regelt, und das Abtastelement 14 kann eine Meßvorrichtung sein, welche den Prozentsatz einer bestimmten Chemikalie. am Ausgang des katalytischen Spaltgerätes bestimmt. In einem Flugzeug kann das steuerbare Element 12 das hydraulische System sein, welches

_so die Bewegung von einem der Höhen- öder Seitenruder oder anderer Steuerflächen bewirkt, und das Abtastelement 14 könnte ein Kurzkreisel sein. Für die vorliegende Erfindung ist die Art der Anlage 10 unwesentlich. Es ist lediglich notwendig, daß die Anlage 10 ein steuerbares Element 12 sowie ein Abtastelement 14 hat. Eine Vergleichseinrichtung 18 vergleicht laufend die Regelgröße 15 mit der Sollgröße, die dem Eingang 16 zugeführt wird; sie erzeugt ein Fehler-Signal, das auftretende Unterschiede anzeigt. Der Stellgrößengeber 20 spricht auf das Fehlersignal an und aktiviert das regelbare Element 12 in der Richtung, die zur Eliminierung des Fehlersignals erforderlich ist. Der Stellgrößengeber 20 hat eine Verstärkungsregelung 22; die Gründe hierfür werden später ausführlich erläutert.

es Der Stellgrößengeber 20 kann im 1-, 2-, 3- oder «-Modesteuergerät arbeiten, d. h., er kann proportional und/oder differential und/oder integral und/oder nach einer höheren Funktion regeln. Die Verstärkungs-

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regelung 19 wirkt jedoch nur auf den proportionalen Ansprech-Kennlinien haben, d. h., es ist erwünscht,

Teil der Regelung ein. Die Einstellungen für die ande- die Verstärkung auf dem WertLÄT-2 zu halten. Wie

ren Verstärkungen werden hier nicht gezeigt, da sie jedoch in Fi g. 2 gezeigt, ändert sich die Verstärkung

für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung unwesent- der Anlage abhängig von der Stellgröße 17 und dem

lieh sind. Der Wert der anderen Verstärkungen wird 5 Betriebszustand. Auf diese Weise muß die Verstärkung

auf konventionelle Weise eingestellt. Eine Vielzahl von des Stellgrößengebers 20 entsprechend variiert werden,

automatischen Regelungen sind im Handel erhältlich. um die Verstärkung des Systems auf dem erwünschten

Die so erhältlichen Regelungen umfassen im allge- Wert zu halten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich

meinen die Vergleichseinrichtung 18 und einen Stell- auf eine hochwertige Methode zur Veränderung der

größengeber 20. . ,.-·.. io Verstärkung des Stellgrößengebers 20.

Die Anlage 10 umfaßt Ungeradlinigkeiten und meh- Wesentlich ist die Erkenntnis, daß sich das Verrere mögliche Betriebszustände. Das Verhältnis zwi- hältnis der Größe des Fehler-Signals zur Größe des sehen der Größe einer Veränderung in der Regel- Störsignals mit der Frequenz ändert. Dies wird in größe 15 und der Größe einer Veränderung in der F i g. 4 gezeigt. Das Verhältnis der Größe des Fehler-Stellgröße 17 ist für verschiedene Stellgrößen 17 und 15 Signals zur Größe des Störsignals wird im folgenden für verschiedene Betriebszustände verschieden. Der Übertragungsverhältnis genannt.
Begriff »Anlagenverstärkung« stellt das Verhältnis Die Störsignale, denen jede physikalische Anlage einer Änderung der Regelgröße 15 zu der Änderung oder jedes Verfahren 10 unterworfen ist, sind sehr der Stellgröße 17 dar. F i g. 2 zeigt, daß sich die An- vielfältig. Es kann sich beispielsweise um elektrische lagenverstärkung verändert, wenn sich die Stell- 20 Rauschsignale oder um mechanische Schwingungen größe 17 und der Betriebszustand verändern. handeln. Außerdem können Störsignale an verschie-

In F i g. 2 sind Kurven dargestellt, die zeigen, wie denen Stellen in den Regelkreis gelangen. Verändesich die Änlagenverstärkung mit dem Betriebszustand rungen an der Sollgröße am Eingang 16 werden im und der Stellgröße verändert. In einem hydraulischen folgenden auch Störsignale genannt. F i g. 4 zeigt die System, das einen Tank aufweist mit Abteilungen mit 25 Kennlinien des Systems für einen willkürlich gewähl- , unterschiedlichen Durchmessern, verändert sich die ten Störsignaltyp. Für jeden Störsignaltyp jedoch hat Anlagenverstärkung, wenn der Flüssigkeitsstand im das System ein von der Frequenz abhängiges Über-^ Tank von einer Tankabteilung mit einem DurchjnesseT* tragungsverhältnis, wie das in F i g. 4 gezeigte, zu einer Abteilung mit einem anderen Durchmesser Wichtig ist, daß bei bestimmten FrequenzejKÜe'Größe wechselt. In einem Flugzeug verändert sich die An- 30 des Übertragungsverhältnisses nur schwach oder überlagenverstärkung, wenn sich die Höhe des Flugzeuges haupt nicht abhängig von der Kreisverstärkung des verändert. Ein Beispiel für eine Ungeradlinigkeit, Systems ist; bei anderen Frequenzen ist jedoch die durch welche die Anlage verschiedene Anlagen- Größe des Übertragungsverhältnisses in starkem Maße verstärkungen für verschiedene Stellgrößen 17 hat, abhängig von der Größe der Kreisverstärkung. Mit obgleich sie sich im selben Betriebszustand befindet, 35 anderen Worten: Die Schwankung des Übertragungsist z. B. ein hydraulisches System, bei dem das regel- Verhältnisses, abhängig von der Frequenz, ist für verbare Element 12 ein Ventil mit nichtlinearer Ansprech- schiedene Kreisverstärkungen verschieden,
kennlinie ist. Hier verändert sich die Anlagenverstär- Die Energie in einem bestimmten Frequenzband, kung. abhängig von der Stellgröße oder dem Durchfluß die durch das System zu jeder beliebigen Zeit überdurch den Tank, obgleich der Betriebszustand oder 40 tragen wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:
der Pegel im Tank derselbe bleibt. w«

Der Stellgrößengeber 20 hat ebenfalls eine propor- _{F(t k}s _ r ~_{a(t w}\io(_w kM*Jw

tionale Verstärkung. Das heißt, für eine bestimmte ^l> ' ~J^' ^W)/K^' ^K)l
Änderung im Fehler-Signal hat die Änderung der

Stellgröße 17 einen bestimmten Wert. Dies wird im .45 E{t,k) ist die vom System übertragene. Energie,

folgenden »Stellgrößengeber-Verstärkung« genannt. abhängig von der Zeit (?) und dem Zustand der

Die , Reaktion im gesamten System hängt von der Regelkreisverstärkung (k).

.Regelkreis-Verstärkung, die das Produkt der Stell- e(t,.w) ist das Störsignal, abhängig von Zeit und

größengeber-Verstärkung und der Anlagenverstärkung Frequenz (ve).

darstellt, ab. Die theoretische Basis hierfür ist bekannt 50 R (w, k) ist das Übertragungsverhältnis, abhängig

und wird in jeder Standardveröffentlichung über auto- von der Frequenz (w) und der Regelkreisverstär-

matische Regelung erläutert. Der Begriff »System« kung (k). .

wird im folgenden benutzt zur Beschreibung der Wenn die Größe der Stärke einer bestimmten Fre-

Kombination aller Elemente im Regelkreis einschließ- quenzkomponente des Fehler-Signals gemessen wird,

lieh der Anlage 10, der Vergleichseinrichtung 18 und 55 so stellt der erzielte Wert das Produkt

dem Stellgrößengeber 20. ■ ;

F i g. 3 zeigt drei mögliche Arten der Reaktion auf . [c (/, W₁)] [R (W₁, Ar₁)]
Grund einer Änderung. Die Reaktion des Systems

hängt von der Regelkreisverstärkung ab. Wenn die dar, wobei W₁ die Frequenz ist, bei welcher die Mes-

Verstärkung zu hoch ist, tritt ein Überschwingen ein, 60 sung vorgenommen wird, und Ar₁ die Verstärkung des

und die Regelgröße oszilliert anfänglich um den Regelkreises zur Zeit ?. Wenn die Messung bei einer

erwünschten Wert. Ist die Verstärkung zu schwach, Frequenz (oder in einem Frequenzband) vorgenom-

so spricht das System träge an und braucht eine relativ men wird, bei welcher das Übertragungsverhältnis

lange Zeit, um den erwünschten Wert zu erreichen. von der Regelkreisverstärkung abhängt, dann ist der

Der Wert der Verstärkung, der zu hoch ist, wird mit 65 erzielte Wert abhängig vom Störsignal und dem Ver-

LK-3 bezeichnet; die erwünschte Verstärkung ist LK-2 stärkerzustand des Systems. Wenn andererseits die

und die zu niedrige Verstärkung LK-I. Messung bei einer Frequenz vorgenommen wird, bei

Das System soll natürlich immer die erwünschten welcher das Übertragungsverhältnis von der Regel-

kreisverstärkung des Systems abhängt, dann ist der sich ergebende Wert nur abhängig vom Störsignal.

Die Störsignale, die bei jedem System auftreten, können in Klassen aufgeteilt werden. Jede Störklasse hat ein charakteristisches Frequenzspektrum. Für jede Störsignalklasse, wenn zwei oder mehr bestimmte Frequenzen gewählt werden, hat die Größe der Komponenten der Fehler-Signale bei diesen Frequenzen eine bestimmte Abhängigkeit. Außerdem können für jede Störsignalklasse zwei oder mehr Frequenzen im allgemeinen gewählt werden, so daß eine dieser Frequenzen in dem Bereich liegt, in dem das Übertragungsverhältnis des Systems im starken Maße von der Kreisverstärkung des Systems abhängig ist, und die anderen Frequenzen können in Bereichen gewählt werden, in denen das Übertragungsverhältnis nur schwach oder überhaupt nicht von der Regelkreisverstärkung des Systems abhängt.

Es wird die Stärke mehrerer ausgewählter Frequenzkomponenten des Fehler-Signals gemessen. Eine Messung wird in einem ersten Frequenzband vorgenommen, in dem das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung des Systems abhängt, und es werden auch Messungen vorgenommen in Bändern, in denen das Übertragu-ngsverhältnis nicht von der Verstärkung abhängt. Die Messungen in den Bändern, in denen das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung unabhängig ist, werden daz^-ver-" wendet, die Größe der Komponenten des Störsignals in dem ersten Band zu rekonstruieren. Dies ist möglich, weil, wie schon erläutert für jede Störklasse die entsprechende Größe von verschiedenen Frequenzkomponenten relativ stabil ist.

Die Messung im Band, in dem das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, wird dazu verwendet, die augenblickliche Regelkreisverstärkung des Systems anzuzeigen. Wie jedoch schon erläutert, ist die Messung im Band, in dem das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, eine Funktion vom Störsignal und von der Regelkreisverstärkung. Durch Vergleich des rekonstruierten Störsignals mit der Energie im Fehler-Signal bei Frequenzen, in denen das Übertragungsverhältnis von der Regelkreisverstärkung abhängt, erhält man den gegenwärtigen Wert der Regelkreisverstärkung oder mit anderen Worten ausgedrückt, die Abweichung der Regelkreisverstärkung des Systems von dem gewünschten Wert.

Um die Größe der Frequenzkomponenten des Störsignals im Frequenzband zu rekonstruieren, in dem das Übertragungsverhältnis von der Verstärkung abhängt, wird die Größe des Fehler-Signals für jede Störsignalklasse, die ein anderes Frequenzspektrum in einem getrennten Band hat, gemessen. Im ersten Ausführungsbeispiel sind zur Erleichterung des Verständnisses nur zwei Störklassen besonders beachtet. Treten beim System andere Störarten auf, so arbeitet das System trotzdem; die Verstärkungsanpassung ist jedoch nicht so vollkommen, wie wenn mehr Störklassen in Betracht gezogen werden. Die erste betrachtete Störklasse ist ein Wechsel der Sollgröße, die dem Eingang 16 zugeführt wird. Das Frequenzspektrum dieses Störsignals hat vorwiegend Komponenten niedriger Frequenz; aus diesem Grund wird eine Messung der Größe des Fehler-Signals zwischen Frequenz Wl und Wl vorgenommen (s. F i g. 4 und 7). Das Frequenzband zwischen Wl und W2 wird im folgenden Niedrigfrequenzband genannt. Die zweite Störklasse, die im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung betrachtet wird, ist das Rauschen bei Meßinstrumenten, das vorwiegend Komponenten hoher Frequenz hat. Aus diesem Grund wird eine Messung im Frequenzband zwischen den Frequenzen WS und W6 vorgenommen (s. F i g. 4 und 7). Das Frequenzband zwischen fF5und W6 wird im folgenden mit Hochfrequenzband bezeichnet. Im ersten gezeigten .Ausführungsbeispiel wird die von der Verstärkung abhängige

ίο Messung im Frequenzband Wi bis W4 vorgenommen, das im folgenden Zentralfrequenzband genannt wird. .

Für jede Störsignalklasse ist das Verhältnis zwischen der Größe der Störung im gemessenen Band und der Größe der Störung im Zentralfrequenzband stabil, da, wie schon oben erläutert, Energie jeder Störsignalklasse ein charakteristisches Frequenzspektrum hat. Auf diese Weise kann die Messung in Hoch- und Niedrigfrequenzbändern verwendet werden, um die Energie anzuzeigen, die im Zentralfrequenzband übertragen würde, wenn das System in dem gewünschten Verstärkungszustand arbeiten würde. Wenn die tatsächlich im Zentralband gemessene Energie verschieden ist von der Energie, die übertragen würde, wenn das System in dem gewünschten Verstärkungszustand arbeiten würde (wie durch die Messung in den hohen und niedrigen Bändern angezeigt), so zeigt di6s an, daß die Regelkreis.---verstärkung des Systems sich von dem gewünschten Wert unterscheidet und daß die Stellgröliengeberverstärkung geändert werden muß, umHlie Regelkreisverstärkung des Systems auf den gewünschten Wert zu bringen. . ■ ■

Der Funktionsablauf im Regelkreis wird in F i g. 5 gezeigt. Die drei wesentlichen Schritte werden durch die Kästchen 601, 602 und 603 gezeigt. Der durch das Kästchen 601 dargestellte Schritt umfaßt die Messung der Energie im Fehler-Signal bei Frequenzen, bei denen das Übertragungsverhältnis des Systems von der Regelkreisverstärkung abhängt. Kästchen 601 stellt beispielsweise eine Messung der Energie im Fehlersignal zwischen den Frequenzen W3 und WA dar.

Der durch das Kästchen 602 dargestellte Schritt ist die Messung der Energie im Fehlersignal bei Frequenzen, bei denen das Energie-Übertragungsverhältnis des Systems nicht von der Regelkreisverstärkung abhängt. Nach Fig. 4 kann diese Messung beispielsweise zwischen den Frequenzen Wl und W2 und zwischen den Frequenzen W5 und W6 vorgenommen werden. .· ·.

Der durch das Kästchen 603 in F i g. 5 dargestellte Schritt ist ein Vergleich der Anzeigen der vorhergehenden zwei Schritte. Zur Erleichterung werden die Ergebnisse des durch Kästchen 601 dargestellten Schrittes mit A und die Ergebnisse des durch Kästchen 602 dargestellten Schrittes mit B gekennzeichnet. Wenn A größer ist als B, so verringert sich die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 in F i g. 1; wenn A kleiner ist als B, so erhöht, sich die Verstärkung des Stellgrößengebers 20.

F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Regelkreises. Die in F i g. 7 gezeigten Bauelemente umfassen drei Bandpaßfilter 711, 721 und 731; drei Schaltungen 712, 722 und 732 zur Bestimmung des absoluten Wertes von Signalen; drei Begrenzerschaltungen 713, 723 und 733; drei veränderbare Verstärker 714,.724 und 734; eine Summierungsschaltung 751; eine konventionelle Zwei-Mode-Schaltung 752 und eine Quadriervorrichtung 755. Die Schaltungen bilden

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drei Kanäle 710, 720 und 730. Der Kanal 720 dient stellt mechanisch oder elektrisch die Verstärkungszur Durchführung des Schrittes, der in F i g. 5 mit regelung 19 des Stellgrößengebers 20 ein. Die Quadern Kästchen 601 dargestellt ist, und die mit 710 und driervorrichtung 755 ist darum vorgesehen, daß mit 730 bezeichneten Kanäle dienen zur Ausführung des derselben Eingangssignalgröße die Geschwindigkeit durch Kästchen 602 in F i g. 5 dargestellten Schrittes. 5 der Änderung in der Verstärkung für höhere Ver-Die Schaltungen 751, 752 und 755 dienen zur Durch- Stärkungseinstellungen größer ist als für niedrigere führung des durch Kästchen 603 in F i g. 5 angezeigten Verstärkungseinstellungen. Regelungen wie 752, und Schrittes. Quadriervorrichtungen (Multiplikatoren) wie 755 sind

Die Schaltungen des Kanals 720 messen die Energie im Handel erhältlich. Der Ausgang der Quadrier-

des Fehlersignals bei Frequenzen, bei denen die io vorrichtung 755 kann entweder mechanisch oder elek-

Energieübertragung des Systems von der Regelkreis- trisch sein, je nach der Art der Verstärkungsregelung 19

verstärkung abhängt. Das Bandpaßfilter 721 hat einen des Stellgrößengebers 20.

Durchlaßbereich zwischen den Frequenzen W3 und Die drei veränderbaren Verstärker 714, 724 und 734 W4 (s. F i g. 4 und 7), so daß das Ausgangssignal des sowie das Gleichstrombezugssignal am Eingang 753 Filters 721 die Größe der Komponenten im Fehler- 15 werden am Anfang eingestellt, so daß, wenn die signal darstellt, die zwischen den Frequenzen W2> und Regelkreisverstärkung den erwünschten Wert erreicht W4 liegen. Um den Ausgang von Filter 721 in ein hat, das Ausgangssignal vom Verstärker 724 die Energiesignal umzuwandeln, wird sein absoluter Wert Summe der Ausgangssignale von den Verstärkern 714 durch die Schaltung 722 gebildet. Die Umwandlung und 734 und des Gleichstrombezugssignals am Einin den absoluten Wert hat zur Folge, daß das Ausgangs- ao gang 753 vollständig ausgleicht. Die Verstärkung der signal der Schaltung 722 immer positiv ist und den Verstärker 714, 724 und 734 sowie das Gleichstrom-Wert des Fehlersignals, unabhängig von dessen Vor- bezugssignal am Eingang 753 werden so eingestellt, zeichen anzeigt. Der absolute Wert eines Signals kann daß für jede. Störsignalklasse eine gewisse proportiomittels bekannter Schaltungen wie beispielsweise einer nale Verwandtschaft zwischen der Größe der Frequenz-Brückenschaltung gebildet werden. Der Begrenzer 723 25 komponenten dieses Signals in jedem Band besteht, verhindert, daß das System auf ab und zu auftretende, Die weiter unten aufgeführte Tabelle erläutert, wie starke und völlig unplanmäßig auftretende Rausch^» die Verstärkung in den Verstärkern 714, 724 und 73.4 signale anspricht. Der veränderbare Verstärkt 724 sowie die Größe des Gleichstrombezugssignate ■ am' ist in der Schaltung 720 angeschlossen, um die Aus- Eingang 753 die Form des Frequenzspekfrums der gangssignale der Schaltungen 710, 720 und 730 richtig 30 Energie in den verschiedenen Klasserrtler Störsignale anzupassen. wiedergeben. Die Tabelle nennt die Größe der Fre-

Der durch Kästchen 602 in F i g. 5 gezeigte Schritt quenzkomponenten der zwei Störsignalklassen, die in wird in zwei Teilen ausgeführt. Der Kanal 710 bildet dem gezeigten Ausführungsbeispiel betrachtet werden, eine Anzeige der Energie im Fehler-Signal zwischen Außerdem nennt die Tabelle die Werte des Überden Frequenzen Wl und 1^2 (s. F i g. 4), und der 35 tragungsverhältnisses in den verschiedenen Frequenz-Kanal 730 bestimmt die Energie im Fehler-Signal bändern, (a) wenn das System im erwünschten Verzwischen den Frequenzen W5 und W6. Die Kanäle 710 stärkungszustand LK-2 arbeitet (d. h., wenn das und 730 enthalten dieselben Schaltungen wie Kanal 720, System abgestimmt ist) und (b) wenn das System im der oben erläutert wurde; aus diesem Grund wird Verstärkungszustand LK-3 arbeitet, worin die Kreiskeine ausführliche Erklärung der Kanäle 710 und 730 40 verstärkung höher ist als erwünscht,
gegeben. Die in der Tabelle aufgeführten Zahlen sind nur

Die Summierschaltung 751 subtrahiert das Ausgangs- Beispiele. Für jedes besondere System kann der Wert

signal von Kanal 720 von der Summe von der verschiedenen Parameter, wie beispielsweise der

a) dem Ausgangssignal von Kanal 710, Verstärkung, analytisch bestimmt werden wenn ge-

b) dem Ausgangssignal von Kanal 730 und ^4S "^uS^en^ Informationen über das System und über die

c) einem Gleichstrombezugssignal, das dem Ein- Kennlinien der Störung vorhanden sind Em Vereang 753 zugeführt wird. fahren zur -Erstellung der verschiedenen Parameter

unter der Annahme, daß nur ein minimaler Betrag

Das Gleichstrombezugssignal wird eingegeben, um analytischer Informationen Vorhanden ist, wird später

den Teil des Störsignals zu kompensieren, der an den 50 gegeben.

Ausgängen von Schaltungen 710 und 730 nicht er- Der wichtigste Punkt, der mittels der folgenden

scheint. An den Ausgängen der Schaltungen 710 und Tabelle aufgezeigt wird, ist, daß die Verstärkung der

730 erscheint nur der Teil des Störsignals, der zwischen Verstärker 714, 724 und 734 und die Größe des

den Frequenzen Wl bis W2 und W5 bis W6 liegt. Gleichstrombezugssignals am Eingang 753 so einge-

Das Gleichstrombezugssignal am Eingang 753 korn- 55 stellt werden, daß, wenn das System sich im abge-

pensiert die Störsignalklassen, deren Komponente im stimmten Betrieb befindet und wenn Störsignal in

Frequenzbereich W3 bis WA liegt, die jedoch durch das System eingeführt werden, die von der Summier-

die Größe im Frequenzbereich Wl bis W2 oder WS schaltung 751 erzeugte Summe null ist. Außerdem

bis W6 nicht richtig eingeschätzt wurden. Die Größe zeigt die Tabelle, daß, wenn das System sich in einem

des Gleichstrombezugssignals am Eingang 753 wird in 60 Verstärkungszustand befindet, der nicht der gewünschte

derselben Art eingestellt wie die Verstärkung der Ver- Wert ist (d. h., wenn das System nicht abgestimmt ist),

stärker 714, 724 und 734, wie im folgenden noch die von Schaltung 751 hervorgebrachte Summe einen

erläutert wird. Wert hat, der nicht null beträgt.

Die Zwei-Mode-Regelung 752 ist eine konventionelle Die Zeilen 1 bis 7 der folgenden Tabelle geben Werte

Regelung, die das Signal vom Ausgang der Summier- 65 für die verschiedenen Parameter an. Die Größen der

schaltung 751 empfängt und die mechanisch oder resultierenden Ausgangssignale der Kanäle 710, 720

elektrisch den Eingang der Quadriervorrichtung 755 und 730 sind in den ersten drei Spalten der Zeilen 13,

steuert. Der Ausgang der Quadriervorrichtung 755 16 und 19 aufgeführt. Die Größe der Ausgangssignale

von jedem der Kanäle 710, 720 und 730 kann als das Produkt aus der Größe der zugeordneten Frequenzkomponenten von einem Störsignal, dem Übertragungsverhältnis bei der zugeordneten Frequenz und der Verstärkung des zugeordneten Verstärkers ange-

sehen werden. Dabei sind verschiedene Konstanten vernachlässigt, welche den vorgenommenen Vergleich nicht beeinträchtigen. Das Ergebnis des von Schaltung 751 vorgenommenen Vergleiches wird in der vierten Spalte der Zeilen 13, 16 und 19 gegeben.

W\ bis W%

Frequenzband
I Ψ3 bis Ψ4 I

WS bis W6

Größe der Störsignale 1. Klasse

Größe der Störsignale 2. Klasse

Übertragungsverhältnis bei erwünschter Regelkreisverstärkung (LK-2)

Übertragungsverhältnis bei zu hoher Regelkreisverstärkung (LK-3)

Verstärker

Verstärkung der Verstärker

2 714

Störsignale · Übertragungsverhältnis
Verstärkung für Störsignäle 1. Klasse bei LK-2

Störsignale · Übertragungsverhältnis
Verstärkung für Störsignale 2. Klasse bei LK-2

Störsignale · Übertragungsverhältnis
Verstärkung für Störsignale 1. Klasse bei LK-3

^2,60 20,6 260 10
10

14

20

724

280
280
400

0
30

734
7,98

Durch Summierschaltung 751
erzeugte Summenl.
(Größe des Gleichstrombezugssignals
= 20)

239,4
0

-120

Im folgenden wird beschrieben, wie die verschiedenen Parameter in der Verstärkungsregelung 19 gewählt werden können. Die wichtigen Parameter, die zu wählen sind, sind: erstens die Frequenzbänder für die Bandpaßfilter 711, 721 und 731 und zweitens die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 734 und die Größe des Gleichstrombezugssignals am Eingang 753. Die anderen Parameter, wie die Schwellwerte für die Schaltungen 713, 723 und 733 und die Kennlinien der Zwei-Mode-Regelung 752, sind nicht kritisch. Diese Parameter, durch die die Leistung der Regelung optimal eingestellt werden kann, können durch Versuche bestimmt werden.

Die Frequenzbänder der Bandpaßfilter 711, 721, 731 und die Verstärkung der Verstärker 714, 724 und 734 können dadurch gewählt werden, daß das Hauptsystem (Anlage 10, Vergleichseinrichtung 18 und Stellgrößengeber 20) ohne die Verstärkungsregelung 19 betrieben wird. Das System muß auf konventionelle Weise abgestimmt und in einem abgestimmten Verstärkungszustand betrieben werden. Während das System in einem abgestimmten Zustand arbeitet, kann die Stärke der Signale in verschiedenen Frequenzbändern bestimmt werden. Hierduich können verstärkungsabhängige und verstärkungsunabhängige Bänder identifiziert werden. Außerdem können durch Prüfung des Wertes des Signals in den verschiedenen Frequenzbändern die Verstärkungen der Verstärker 714, 724 und 734 und die Stärke des Gleichstrombezugssignals am Eingang 753 gewählt werden, so daß die Bedingung erfüllt wird, daß die von der Schaltung 751 gebildete Summe null beträgt, wenn das System abgestimmt ist. Es ist unwesentlich, wie der Stellgrößengeber 20 zu Anfang abgestimmt ist; er kann mittels jeder der gegenwärtig verwendeten Methoden abgestimmt werden. Wenn das System in Betrieb ist, wird das Ausgangssignal der Schaltungen 710 und 730 fast völlig unabhängig vom Verstärkungszustand, in dem die Anlage arbeitet, während sich das Ausgangssignal des Kanals 720 je nach der Verstärkung, in der sich das System befindet, verändert. Auf diese Weise verändert sich das Ausgangssignal der Schaltung 720, wenn das System zu einem anderen Arbeitspunkt überwechselt und die Regelkreisverstärkung des Systems sich ändert. Die Ausgangssignale der Kanäle 710 und 730 bleiben jedoch im wesentlichen konstant. Wenn das System zu einem anderen Verstärkungszustand überwechselt, gibt die Summierschaltung 751 ein Signal ab, das die Zwei-Mode-Regelung 752 aktiviert und dadurch die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 einstellt, so daß die gesamte Regelkreisverstärkung

des Systems auf den gewünschten Wert gebracht wird.

Die in F i g. 6 gezeigten Blöcke wurden bis jetzt als

tatsächliche Bestandteile des Regelkreises beschrieben.

Der Regelkreis kann jedoch auch eine programmgesteuerte Rechenmaschine enthalten. Aufeinanderfolgend empfangene Signale, welche die Größe des Fehler-Signals anzeigen, werden zur Rechenmaschine mittels eines Analog-Digital-Wandlers übertragen, und

so empfängt die Rechenmaschine lediglich periodisch digitale Signale, die den Wert des Fehler-Signals anzeigen. Die Rechenmaschine verarbeitet diese Digitalsignale und führte die Funktionen aus, die in den Blöcken in F i g. 5 und 6 erläutert werden. Die Rechenmaschine gibt Digitalsignale ab, durch die die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 eingestellt werden kann.
Die Verstärkung des Stellgrößengebers 20 kann ent-

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weder direkt durch Digitalsignale oder durch Analog- von Nutzen sein. Die Regelung, welche die Verstärkung signale gesteuert werden, die in einem Analog-Digital- kontrollierte, wird hier als eine Zwei-Mode-Regelung Wandler erzeugt werden. Das analoge Signal kann gezeigt mit einer Quadriervorrichtung an ihrem Ausauch eine mechanische Verstärkungseinstellung an- gang. Auch hier könnten je nach der speziellen Antreiben. 5 Wendung andere nichtlineare Regelungen mit generali-

Um die verschiedenen Schritte durchzuführen, die sierter Dynamik von Nutzen sein,
durch die Kästchen in F i g. 6 gekennzeichnet sind, Die Anzahl der Kanäle zur Rekonstruierung der und um auf diese Weise die im Blockdiagramm in Größe des Störsignals in der Verstärkung kann, wenn Fig. 5 erläuterte Methode anzuwenden, führt eine gewünscht, erweitert werden. Wenn bei dem System Digital-Rechenmaschine eine große Anzahl von sehr io eine große Anzahl von verschiedenen Störarten aufeinfachen Vorgängen aus, wie beispielsweise Addition, treten, ist es möglich, daß eine große Anzahl von Subtraktion usw. Diese Rechenoperationen sind je- Kanälen notwendig ist, um eine relativ genaue Redoch in solcher Reihenfolge aufgeführt, daß sie die konstruktion des Störsignals zu erhalten. Weiterhin in F i g. 5 gezeigten Schritte ergeben. ist darauf hinzuweisen, daß, wenn eine Art Störsignale

In F i g. 8 ist gezeigt, wie die drei Filter durch zwei 15 ein Frequenzspektrum hat, das in der Hauptsache in

Filter ersetzt werden können, von denen das erste ein einer Zone liegt, in der das Übertragungsverhältnis

Durchlaßbereich von der Frequenz null bis zur Fre- von der Verstärkung abhängt, die Parameter des

quenz Wl hat und das zweite ein Durchlaßbereich Systems leicht auf bekannte Weise eingestellt werden

von der Frequenz null bis zur Frequenz WS. Drei können, und zwar so, daß die Zone, in welcher das

Signale, die als Digital-Zahlen ausgedrückt werden, 20 Übertragungsverhältnis des Systems von der Verstär-

geben die Größe der Signale der drei simulierten kung abhängt, in eine andere Zone verlegt werden

Filter an. Das erste Signal, das dem Ausgangssignal könnte.

von Filter 711 entspricht, hat einen Frequenzbereich Die hierin gezeigten Filter waren lineare Tiefpaßvon der Frequenz null bis zur Frequenz Wl. Das und Bandpaßfilter. Natürlich können verschiedene zweite Signal, das dem Ausgangssignal von Filter 721 25 Arten von linearen und nichtlinearen Filtern für beentspricht, wird durch die Subtraktion des Ausgangs- stimmte Anwendungstypen von größerem Nutzen sein, signals des ersten Filters vom Ausgangssignal "des Hier wird die Erfindung in der Anwendung auf, die zweiten Filters gebildet; sein Frequenzbereich reicht Einstellung der Verstärkung der proportionalen-Steuevon der Frequenz Wl zur Frequenz WS. Das dritte rung in dem Stellgrößengeber 22 gezeigf. Natürlich Signal, das ungefähr dem Ausgangssignal von Filter 30 kann die Erfindung auch auf die Einstellung von ver-731 entspricht, wird durch Subtraktion des Ausgangs- schiedenen anderen Regelungen in der Hauptsteuersignals des zweiten Filters (Durchlaßbereich B) vom anlage angewandt werden.

Gesamtsignal gebildet, es umfaßt alle Frequenzen Viele physikalische Anlagen weisen eine große An-

oberhalb der Frequenz WS. Natürlich haben die zahl von Regelkreisen auf, die bis zu einem bestimmten

Signale mit extrem hohen Frequenzen keine Wirkung, 35 Grad gekoppelt sind. Durch Anschluß einer Informa-

da diese Frequenzen von der Schaltung im Analog- tionsmatrix, die von der vorliegenden Erfindung ab-

Digital-Wandler ausgefiltert werden. geleitet wurde, an jeden Regelkreis können die Ver-

Die in den aufgeführten Ausführungsbeispielen ge- , Stärkungen in den verschiedenen Regelkreisen vorteilzeigten Verstärker waren alle begrenzte lineare Ver- hafter gesteuert werden als dadurch, daß lediglich die stärker. Für schwierigere Anwendungen könnten vei- 4° Information verwendet wird, die von einem geregelten schiedene andere Typen von nichtlinearen Verstärkern Regelkreis erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die Erfindung betrifft einen selbstanpassenden Patentansprüche: Regelkreis, in dem das Fehlersignal Filtern zugeführt wird, und die Verstärkung des Reglers abhängig von

1. Selbstanpassender Regelkreis, in dem das der Differenz der Ausgangssignale der Filter geregelt Fehlersignal Filtern zugeführt wird und die Ver- 5 wird.

Stärkung des Reglers abhängig von der Differenz Die Reaktion einer Anlage in einem Regelkreis ist

der Ausgangssignale der Filter geregelt wird, da- abhängig von der Verstärkung. Wird z. B. die Ver-

durch gekennzeichnet, daß eines der Stärkung auf einen bestimmten Wert eingestellt, so

Filter einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem kann die Anlage übersteuert sein, wird die Verstärkung

die Größe des Fehlersignals sowohl von der Regel- io auf einen anderen Wert eingestellt, so kann die gleiche

kreisverstärkung als auch von der Größe des Stör- Anlage sehr langsam reagieren. Bei einem anderen

Signals abhängt, und daß wenigstens ein Filter Wert kann die Anlage instabil sein,
einen Frequenzbereich hindurchläßt, in dem die Zur Abstimmung eines Regelkreises werden die

Größe des Fehlersignals nur von der Größe des verschiedenen Verstärkungen innerhalb des Reglers

Störsignals abhängt. 15 auf Werte eingestellt, so daß der Kreis angemessen

2. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1, reagiert. Die Reaktion des Kreises ist jedoch nicht dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der allein von den Verstärkungseinstellungen im Regler Größe des Fehlersignals in dem Frequenzbereich, abhängig. Bestimmte Nichtlinearitäten innerhalb der in dem dieses von der Regelkreisverstärkung ab- Anlage, die geregelt werden sollen, und verschiedene hängt, und der Summe der Fehlersignale in den 20 Störungen können die Reaktion stören. So kann, Frequenzbereichen, in denen diese nicht von der obwohl die Verstärkung im Regler anfangs so einge-Regelkreisverstärkung abhängen, gebildet wird und stellt wurde, daß der Kreis die gewünschte Reaktion daß die Verstärkung des Stellgrößengebers vermin- liefert, infolge von Nichtlinearitäten und äußeren dert wird, wenn die Differenz größer, und erhöht Störungen, die Reaktion unerwünscht verlaufen,
wird, wenn die Differenz kleiner wird. 25 Die Regeltechnik wurde entwickelt, um die oben -

3. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1 beschriebenen Nachteile der üblichen Steuerungen zu _. _ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Aus-^ beseitigen. Es gibt mehrefe Bücher über die Regel—-gangssignalen der Filter die Absolutwerte gebildet, technik und eine relativ große Zahl von technischen diese begrenzt und verstärkt werden. Veröffentlichungen. Die Proceedings eines Symposiums

4. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 3, 30 über Regeltechnik, die durch die MtrcMillan Comp, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der 1961 veröffentlicht wurden, tragen den Titel »Adaptive Ausgangssignale der Filter zusammen mit einem Control Systems« und sind von G. Felix Carnthers Gleichstrombezugssignal einer Summierschaltung und Harold Levenstien herausgegeben. Dieses zugeführt werden und daß das Ausgangssignal der Buch enthält eine große Zahl von Literaturstellen für Summierschaltung gegebenenfalls nach Quatrierung 35 Veröffentlichungen dieser Technik. Ein allgemeiner dem Stellgrößengeber als Verstärkungsregelungs- Überblick des Standes der Technik wird in einer Versignal zugeführt wird. öffentlichung von Stanley S h i m e r s gegeben, die

5. Selbstanpassender Regelkreis nach Anspruch 1 »Optimal and Adaptive Control Systems« betitelt ist oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs- und in der Zeitschrift Electro-Technology, Juli 1964, signale der Filter in digitale Werte umgewandelt 4° veröffentlicht wurde.

werden, daß diese einem digitalen Rechengerät als Die Regelsysteme nach dem Stand der Technik

Eingangsgrößen zugeführt werden und daß das gliedern sich in vier Gruppen. Diese Gruppen werden

digitale Rechengerät eine Rechengröße abgibt, die im folgenden als der Modelltyp, der Störungstyp, der ^

gegebenenfalls nach Digital-Analog-Wandlung die Grenzfrequenztyp und der Frequenzgangtyp bezeich- w

Verstärkung des Stellgrößengebers regelt. 45 net. Der Modelltyp benutzt ein simuliertes Modell

6. Selbstanpassender Regelkreis nach einem der des Prozesses, um ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wie groß die Stellgröße (oder die Stellgrößen) des drei Durchlaßbereiche bei niedrigen, mittleren und Reglers sein sollten. Wenn sich das Signal aus dem hohen Frequenzen mit Hilfe von zwei Tiefpaßfiltern Modell von der Stellgröße aus dem Regler untererzeugt werden, von denen das eine den niedrigen 5° scheidet, wird eine entsprechende Änderung vorge- und das andere den mittleren Frequenzbereich mit nommen. Beim Störungstyp wird eine Störung in die umfaßt, und daß der Absolutwert des Fehlersignals Anlage eingeführt und die Reaktion auf diese Störung direkt aus den Ausgangssignalen des Tiefpaßfilters, beobachtet. Die Stellgröße oder die Stellgrößen werden das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, gebil- dann so eingestellt, daß die richtige Reaktion auftritt, det wird, daß der Absolutwert des Fehlersignals 55 Beim Grenzfrequenztyp werden Hochfrequenzschwindes mittleren Frequenzbereiches aus der Differenz gungen (eine Grenzfrequenz) in dem Regelkreis der Absolutwerte des Tiefpaßfilters, das den mitt- erzeugt. Die Stellgröße (oder Stellgrößen) der Anlage leren Frequenzbereich mit umfaßt, und des Tiefpaß- werden so eingestellt, daß man die richtige Grenzfilters, das den niedrigen Frequenzbereich umfaßt, frequenzreaktion erhält. Beim Frequenzgangtyp wird gebildet wird und daß der Absolutwert des Fehler- ⁶° eine Frequenzganguntersuchung vorgenommen, welche signals des oberen Frequenzbereiches aus der die niederfrequenten Schwankungen einer Anlage um Differenz des Absolutwertes des gesamten Fehler- den gewünschten Wert feststellt. Die Stellgröße der signals und dem Absolutwert des Ausgangssignals Anlage wird so eingestellt, daß die gewünschte des Tiefpaßfilters, das den mittleren Bereich mit Schwankungsfrequenz erhalten wird.

umfaßt, gebildet wird. 65 Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regelkreis zu

schaffen, der für die verschiedenartigsten Regelungen einsetzbar ist, der einen geringen Aufwand benötigt ______ und der zui Steuerung einer Anlage benutzt werden