DE2048348A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Andern des Verstarkungsgrades eines digitalen Steuersystems - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF PATENTANWÄLTE O Π / O O / Q

8 MÜNCHEN 2. HI LBLESTRASSE 2O

Dr. Berg Dip!.-!ng. Stapf, 8 MOndien 2, HilblestraSe 20

Ihr Zeichen Unser Zeichen Datum 8> i i f

20 019 br ι

Anwaltsakten-Nr* 20 019

CHANDLER BVJOiS ,

Charter Oak Boulevard, West Hartford, Connecticut,

USA

Verfahren und Vorrichtung zum Ändern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ändern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems, insbesondere eine Schaltungsanordnung, welche digital eine Änderung des Verstärkungsgrades (oder

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Übertragungsfaktors) als Funktion der Größe eiri.es l'ingangs signal s durchführt. ■;,..,

Ohne in ihrer Anwendbarkeit hierauf beschränkt zu sein, eignet sich die Erfindung, eignet sich die Erfindung, wie sich gezeigt hat, besonders für eine Schaltungsanordnung zur Steuerung elektrischer Betätigungsglieder wie z.B. Schrittmotoren. Daß es wünschenswert ist, ein Betätigungsglied unter Verwendung digitaler Schaltungsanordnungen zu steuern, ist allgemein bekannt. Bei keinem der bekannten digitalen Servosysteme war es aber möglich, den Verstärkungs- oder Übertragungsfaktor als Funktion der Ein- *. gangaägnalgröße zu verändern. Es gab also bisher noch keine Einrichtung zur Durchführung einer dynamischen Kompensation digitaler Servosteuersysteme, wobei der Verstärkungsgrad des Systems sich direkt mit der Eingangssignalgröße ändern müßte. Ein hoher Verstärkungsgrad ist notwendig, damit ein ausreichend schnelles .Ansprechverhalten eines digitalen Servosystem^ gewährleistet ist. Ergibt sich jedoch eine Kombination von hoher Verstärkung und kleinem Signalgrößenfehler, so wird dies unvermeidbar zu einer Übersteuerung und zu Regel Schwankungen führen. ,.-

Es hat sich gezeigt, daß die Erfindung von besonderem Nutzen ist, wenn sie bei einem digitalen Proportional-Servosystem eingesetzt wird, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 20.31 280.5 beschrieben ist. Auf die Offenbarung in dieser älteren Patentanmeldung wird also Bezug genommen werden, und die Beziehung zwischen der vorliegenden Erfindung und der älteren Anmeldung P 20 3'1 280,5 wird noch näher erläutert werden.

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Die Erfindung vermeidet die oben kurz erläuterten Nachteile und weitere Nachteile bekannter Systeme dadurch, daß sie einen digitalen Schaltkreis schafft, der sich durch einen Verstärkungsgrad auszeichnet, welcher sich stufenweise mit der Größe des Eingangssignals ändert. Gemäß der Erfindung kann die Verstärkungsänderung entweder in einer Rückkopplungsschleife oder in einer Vorwärtsschleife durchgeführt werden. In jedem Fall wird die Verstärkungsjustierung dadurch erreicht, daß das Gewicht oder die Bewertung,mit der Impulse gezählt werden, geändert wird. Die Bewertungsänderung der an einen Zähler angelegten Impulse wird dabei als Funktion der Größe entweder eines Eingangssignals oder eines Ausgangssignals der Schaltung gesteuert.

Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der ßückkopplungsschelife werden Ausgangsimpulse des Systems dazu verwendet, die Zuführung eines digitalen Rückkopplungssignals zu einem sogenannten "Positionszähler" entweder direkt oder über eine Frequenzteilerschaltung zu steuern. Die Größe des Rückkopplungssignals wird abgetastet, und wenn es einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird das Rückkopplungssignal über den Frequenzteiler zum Positionszähler geleitet, wobei die Rückkopplungsimpulse mit einer niedrigeren Wertigkeit gezählt werden. Die Ausgangsgröße des Positionszäilers wird mit dem digitalen Eingangssignal verglichen und die Differenz zwischen den Zählwerten bildet das Ausgangssignal der Schaltung.

Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Vorwärtsschleife werden die digitalen Eingangssignale über einen umschaltbaren Schaltkreis entweder zu einem Zähler oder über eine Frequenzteilerschaltung zum Zähler übertragen.

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Auch hier wird Je nach der Größe des zunächst an den Zähler angelegten digitalen Eingangssignals das Eingangssignal entweder mit seiner wirklichen Wertigkeit oder aber, wenn es durch die Frequenzteilerschaltung geleitet wird, mit reduzierter Wertigkeit gezählt werden, wobei der Verstärkungsgrad gemäß der Eingangssignalgröße geändert wird.

Ein Verfahren zum Indern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems ist also gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal einer Impulszähleranordnung bei einer ersten Betriebsweise, bei welcher die Impulse mit voller Wertigkeit gezählt werden, direkt und bei einer zweiten Betriebsweise, bei welcher die Impulse mit veränderter Wertigkeit gezählt werden, über eine Frequenzänderungsanordnung zugeführt wird.

Eine Vorrichtung zum Indern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulszähleranordnung mit mehreren Stufen, mit der eine Frequenzänderungsanordnung gekoppelt ist, und eine elektronische Schaltanordnung, mittels welcher ein Eingangspulssignal bei ihrem ersten Zustand direkt und bei einem zweiten Zustand über die Frequenzändeiuagsanordnung der Impulszähleranordnung zugeführt wird, vorgesehen sind, und daß die Schaltanordnung sich in ihrem ersten Zustand befindet, wenn der Zähler ein Zählergebnis geliefert hat, das geringer ist als der einer ausgewählten Stufe des Zählers entsprechende Wert, und somit das Eingangsimpulssignal mit voller Wertigkeit an die Zähleranordnung anlegt, während sie sich in ihrem zweiten Zustand befindet, wenn der Zähler his zu einem Zählwert gezählt hat, der dieser ausgewählten Stufe entspricht,

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und somit das Eingangsimpulssignal mit einer veränderten Wertigkeit an die Zähleranordnung anlegt.

In Verbindung mit der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert werden. Die Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen jeweils gleiche Teile bezeichnen, zeigt in:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der eine Verstärkungsänderung in einer Rückkopplungsschleife durchgeführt wird;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltanordnung, die sich für die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung eignet\ ■

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Verstärkungsänderung gemäß der Erfindung;

Fig. 4- ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung für eine Verstärkungsänderung in einer Vorwärtsschaleife; und .

Fig. 5 ein Teilblockschaltbild zur Erläuterung der Anwendung der Erfindung für das digitale Proportional-Servosystem nach der deubschen Patentanmeldung P 20 31 280.5·

In Fig. 1 ist ein erstes Äusführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Proportionalverstärkungs-Multiplizieranordnung in Form einer Rückkopplungsschleife vorliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Befehls-

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zähler 10 vorgesehen, der als Eingangssignal ein Posit ionsbefehlssignal empfängt. Das Eingangssignal des Zählers 10 wird durch Gruppen von Impulsen gebildet. Die Anzahl der Impulse in jeder Gruppe entspricht der Größe eines Positionsbefehls. Wie in der oben erwähnten älteren deutschen Patentanmeldung P 20 31 280.5 beschrieben ist, wird der Positionsbefehl normalerweise als ein pulsbreitenmoduliertes Signal empfangen, das dazu verwendet wird, Impulse von einem Hochfreq,iienzoszillator durchzuschleusen. Wie noch näher erläutert werden wird, kann der Befehlszähler 10 einen sogenannten "Aufwärtszähler" mit Paralle!eingebe enthalten, beispielsweise einen Binärzähler mit Paralleleingang vom Typ Signetics Corporation Model 8281. Warum die Verwendung eines Zählers mit Paralleleingang wünschenswert ist, wird aus der folgenden Beschreibung klar werden.

Die Ausgangsgröße des Befehlszählers 10 wird mit einem Zählwert verglichen, der beispielsweise die tatsächliche Position eines Betätigungsgliedes simuliert, welches gesteuert wird. Die Ausgangsgröße des Befehlszählers 10 wird in einer Vergleichestufe 12 mit dem Zählwert verglichen, der in einem Positionszähler 15 gespeichert ist. In der Praxis kann die Funktion der Vergleichsstufe 12 von der Schaltung übernommen werden, welche auch die Funktion des Befehlszählers 10 realisiert. Aus diesem Grund ist ein Zähler mit Paralleleingang wünschenswert. Der Posifcionszähler 15 kann beispielsweise einen Aufwärts/Abwärtszähler mit Serieneingabe und beschränkter Kapazität enthalten, beispielsweise einen Sylvania Electric Products Type SM-180.

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Das Ausgangssignal, das aus dem digitalen Vergleich des "Befehls"-Zählwertes mit dem "Positions"-Zählwert resultiert, bildet das Ausgangssignal des Ausführungsbeispiels gemäß Figo 1, welches an den Steuereingang eines Schrittmotors 16 angelegt wird, der betriebsmäßig mit einer zu steuer^nden Vorrichtung gekoppelt ist, typisch mit einem Ventil oder einem ähnlichen Betätigungsglied· Um dem Positionszähler 15 zu ermöglichen, die Position der Ausgangswelle des Schrittmotors 16 zu simulieren, muß das Ausgangssignal der Vergleichsstufe 12 zum Zähler 15 rückgekoppelt " werdeno Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal der Vergleichsstufe zum Zähler 15 entweder direkt oder über einen Frequenzteiler 20 zurückgeführt. Die übertragung des Rückkopplungssignals wird durch einen halbleiterschalter 18 gesteuert. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, enthält der Schalter 18 eine geeignet geschaltete Folge von HAND-Gliedern. Der Steuereingang der Gatterschaltung bzw. des Schalters 18 wird immer dann betätigt werden, wenn die zuletzt empfangene Gruppe von Ausgangsimpulsen der Schaltungsanordnung eine vorgegebene Zahl überschreitet. Wenn der Schalter 18 sich'in der nicht-betätigten Position befindet, werden die Eüekkopplungsimpulse direkt dem Zähler 15 zu- | geführt und zusammengezählt. Wenn er betätigt wird, leitet der Schalter 18 die Eüekkopplungsimpulse über den Frequenzteiler 20 zum Zähler 15«

Das System gemäß Fig. 1 ist ein proportional arbeitendes digitales Servosystem, dessen Verstärkungsgrad sich als Funktion der Eingangssignalgröße ändert. Die Änderung des Verstärkungsgrades χ mit der veränderlichen Steuergröße £ ist in Fig. 3 graphisch dargestellt.

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Unter der Annahme, daß die veränderliche Steuergröße £ unter dem Zählwertknickpunkt liegt, wo sich die Steigung der Veräärkungskurve ändert, besteht die normale Wirkung der oben beschriebenen Schaltungsanordnung darin, die im Befehlszähler 10 gespeicherte Zahl mit derjenigen im Positionszähler 15 zu vergleichen. Die Differenz zwischen den beiden Zählwerten wird dem Motor 16 oder einer anderen Schaltungsanordnung zugeführt und gleichzeitig zum Zähler 15 rückgekoppelt werden· Das System wird als Proportional-Servosystem arbeiten, weil die Fetto-Ausgangsposition bestrebt sein wird, die Größe des Eingangsbefehls zu erreichen.

Wenn die veränderliche Steuergröße £, den Khickpunkt in Fig. 3 überschreitet, wird der Verstärkungsgrad des Systems erhöht werden, um die Rate oder Geschwindigkeit, mit welcher der durch das Eingangsbefehlssignal repräsentierte Position^fehler auf Null gebracht wird, zu vergrößern. Die Änderung des Systems mit der Eingangssignalgröße wird dadurch bewirkt, daß die Rückkopplungsimpulse von der Vergleichsstufe 12 durch den Frequenzteiler 20 hindurch umgeleitet werden. Der Frequenzteiler 20 kann einen oder mehrere bistabile Multivibratorkreise enthalten, Je nach dem Grad der gewünschten Verstärkungsänderung. Durch die Umleitung der den Positionszähler 15 erreichenden Rückkopplungs impulse durch einen Frequenzteiler werden die an den Motor 16 angelegten Steuerimpulse mit einer geringeren Wertigkeit in den Positionszähler 15 eingegeben bzw. in ihm gezählt. Betrachtet man eine Ausführungsform, bei welcher der Frequenzteiler 20 aus einem einzigen Multivibratorkreis besteht, so mrd der Positionszähler 15 bei

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gedem zweiten an den Motor 16 angelegten Steuerimpuls seinen Zählwert ändern. Die Steuerimpulse des Schrittmotors mit geringerer Wertigkeit zu zählen, hat den Effekt, daß das System den Motor 16 weiterlaufen lassen muß, um einen gegebenen Positionsfehler über dem Zählwertknickpunkt auf Null zu bringen.

Der Zählwertknickpunkt kann willkürlich dadurch gewählt werden, daß man den Steuereingang des Schalters 18 mit irgendeiner gewünschten Stufe des Zählers 15 verbindet. Wie in Pig. 2 dargestellt ist, die ein Blockschaltbild des aus logischen NAND-rGliedern gebildeten Schalters 18 zeigt, ist die ausgewählte Stufe des Zählers 15 zurück zu den Torgliedern 22 und 24 des Schalters 18 geschaltet. Das Ausgangssignal, das aus dem digitalen Vergleich der Zählwerte in den Zählern 10 und 15 resultiert, wird als das andere Eingangssignal an das Torglied 24 sowie als Eingangssignal an das Torglied 26 angelegt. Die Impulse für den Zähler 15 werden unabhängig vom Zustand des Schalters 18 mittels des Torgliedes 28 dem Zähler zugeführt ο Bei kleinen Signalgrößenfehlern gibt es keine Signalrückkopplung vom Zähler 15 zu den Tor^gliedern 22 und 24,und das Torglied 24 wird von der Vergleichsstufe 12 angelegte Signale durchlassen, die somit über das Torglied 28 dem Zähler 15 zugeführt werden. Zu dieser Zeit wird das Torglied 26 durch das positive Ausgangssignal des Gliedes 22 gesperrt, an das kein Eingangssignal angelegt wird. Wenn das Zählergebnis des Zählers 15 den Zählwertknickpunkt überstiegen hat, d.h. wenn der Zähler wenigstens bis zu der Stufe gezählt hat, die zum Schalter zurückgeschaltet ist, so wird an die Torglieder 22 und

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ein Eingangssignal angelegt. Die.Sj§s Signal sperrt das iprgl^ed 2|f· und y§yanlaßt (iaf Qlifd 22, seinen zu 5ecl1.se.ln und da§ Spe.rjcsigrial ^?n $oa?glied 2ξ> seitig|n. Ras iißsultat des digita^gn Y§rg^ichQ somit ii]3fr 4^a^ Torglied 26 an de.» frequen?teil§r |,p angelegt ο Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 2Q wird über das Torglied 28 an den Zähler 15 angelegt.

Zieht man das digitale Proportional-Servosysteia gemäß der erwähnten älteren Patentanmeldung P 20 31 280.5 Xn Betracht, so wird die Funktion des Positionszählers der vorliegenden Erfindung durch den Aufwärts/Abwärts-Zähler 30 dieser älteren Anmeldung realisiert werden, und die niedrigst-stellige Stufe oder Stufen des Zählers 30 werden die üfuntkian des Frequenzteilers 20 der vorliegenden Erfindung realisieren. In«Fig.-1 ist die äquivalente Schaltungsanordnung des Aufwärts/Abwärts-Zählers der älteren Patentanmeldung insgesamt mit 30' bezeichnet. Die kombinierten Funktionen des Befehlszählers 10 und der Vergleichsstufe 12 der vorliegenden Erfindung werden in der oben beschriebenen Weise durch den Fehlerzähler 14-der älteren Patentanmeldung durchgeführt werden. Diese Schaltung ist in Fig. 1 im ganzen mit 14' bezeichnet.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Yerstärkungsänderung in.einer Vorwärtsschleife durchgeführt wird. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist im wesentlichen "die Komplementform des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.Tn Fig. 4 werden die einem posibionsbefehl entsprechenden Eingangsimpulse anfänglich, falls die Fehlergröße kleiner

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ist als der Zählwertknickpegel, über einen Frequenzteiler 42 zu einem Zähler 40 umgeleitet. Wie beim Ausführungsbeispiel nach S¹Ig. 1 erfolgt die Übertragung der Eingangsimpulse entweder direkt oder über den Frequenzteiler 42 zum Zähler 40 unter Steuerung des Schalters 18. Die Umleitung der Eingangsimpulse, durch den Frequenzteiler 42 hat zur Folge, daß die Positionsbefehls-Zählwerte in ihrer Wertigkeit reduziert werden. Wenn die Größe der Eingangssignale den Zählwertknickpunkt überschreitet, was durch die Wahl einer Stufe des Zählers 40 und ihre Verbindung mit dem Steuereingang des Schalters 18 realisiert wird, werden die Eingangsimpulse direkt zum Zähler 40 geleitet und somit mit ihrer vollen Wertigkeit gezählt werden. Anders ausgedrückt, wenn die Zahl im Zähler 40 einen vorbestimmten Wert erreicht, wird ein Steuersignal zum Schalter 18 rückgekoppelt werden und eine Zustandsänderung des Schalters veranlassen. Der Schalter 18 wird die Eingangsimpulse zum Frequenzteiler 42 umleiten, so daß sie vom Zähler 40 mit ihrer vollen Weiügkeit gezählt werden. Der Ausgangswert des Zählers 40 wird also schneller wachsen, so daß sich die Zweistufen-Verstärkung gemäß Fig. 3 ergibt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig» 4 können der Schalter 18 und der Frequenzteiler 42 die gleiche Schaltungsanordnung enthalten wie der Schalter 18 und der Frequenzteiler 20 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Der Zähler 40 gemäß Fig. 4 kann identisch mit dem Befehslzähler 10 des Ausführungsbeispiels nach ^ig. 1 sein.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie die Proportionalverstärkungs Multiplizieranordnung gemäß Fig. 4 in das digitale Pro-

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portional-Servosystem der erwähnten älteren Anmeldung P 20 31 280.5 eingefügt werden kann. In der Praxis ist die einzige zusätzliche Schaltung, die eingefügt werden muß, der Schalter 18· Die Funktion des Frequenzteilers 42 kann nämlich durch die erste Stufe des Fehlerzählers realisiert werden. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, ist der Frequenzteiler 42 aber in Fig. 5 als gesonderte Schaltung dargestellt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Ändern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal einer Impulszähleranordnung "bei einer ersten Betriebsweise, bei welcher die Impulse mit voller Wertigkeit gezählt werden, direkt und bei einer zweiten Betriebsweise, beiwal- i eher die Impulse mit veränderter Wertigkeit gezählt werden, über eine Frequenzänderungsanordnung zugeführt wird.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Betriebsweise stufenweise als Funktion eines ausgewählten Zustandes oder einer gewählten Stufe der Impulszähleranordnung eingeleitet wird.

   Vorrichtung zum Ändern des Verstärkungsgrades eines digitalen Steuersystems zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulszähleranordnung (15) mit mehreren Stufen, " mit der eine Frequenzänderungsanordnung (20) gekoppelt ist, und eine elektronische Schaltanordnung (18), mittels welcher ein Bingangspulssignal bei ihrem ersten Zustand direkt und bei einem zweiten Zustand über die Frequenzänderungsanordnung der Impulszähleranordnung zugeführt wird, vorgesehen sind, und daß die Schaltanordnung (18) sich in ihrem ersten Zustand befindet, wenn der Zähler ein Zählergebnis geliefert hat, das geringer ist als der einer ausgewählten Stufe

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   des Zählers entsprechende Wert, und somit das Eingangspulssignal mit voller Wertigkeit an die Zähleranordnung anlegt, während sie sich in ihrem zweiten Zustand befindet, wenn der Zähler bis zu einem Zählwert gezählt hat, der dieser ausgewählten Stufe entspricht, und somit das Eingangspulssignal mit einer veränderten Wertigkeit an die Zahleranordnung anlegt.

   4-O Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungsanordnung einen Frequenzteiler (20) enthält, und daß die Eingangsimpulse der Schaltanordnung (18) durch diesen Frequenzteiler geleitet werden, wenn sich die Schaltanordnung in ihrem ersten Zustand befindet.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungsanordnung einen Frequenzteiler (42) enthält, und daß die Eingangsimpulse der Schaltanordnung (18) durch diesen Frequenzteiler geleitet werden, wenn sich die Schaltvorrichtung in ihrem zweiten Zustand befindet.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Impulsζahle!anordnung (10) vorgesehen ist, an welche Befehlssignale angelegt werden, daß eine ifergleichseinrichtung (12) mit den Ausgängen der beiden Impulszähler gekoppelt ist und die in ihnen gespeicherten Zählwerte digital vergleicht, und daß das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung über die Schaltanordnung (18) in einem geänderten oder ungeänderten Zustand zur ersten ImpulsZähleranordnung (15) rückgekoppelt wird.

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