WO1994028470A1 - Regeleinrichtung - Google Patents

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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

Definitions

  • the invention relates to a control device with a comparison device, which determines a control difference from a reference variable and a controlled variable, and with a correction and actuating device downstream of the comparison device, which determines a manipulated variable of a controlled system.
  • control devices to regulate a speed of an engine.
  • the speed (controlled variable) of the motor is detected by a measuring device of the control device and fed to a comparison device. From this recorded controlled variable and a reference variable corresponding to a target speed, the comparison device forms a control difference, from which a correction and adjusting device generates a manipulated variable which acts on a controlled system and effects the desired adjustment of the controlled variable.
  • the control task described can also solve a programmable logic controller with a corresponding program provided for this purpose.
  • the control variable which is in analog form, is scanned and converted into a digital form.
  • the programmable logic controller then calculates the control difference from this control variable and the reference variable, and, according to a control algorithm, the control variable from the control difference, which is output after conversion into an analog variable.
  • Such a solution with a conventional programmable logic controller has the disadvantage that the individual instructions of the control program are read out of a memory bit by bit, interpreted and finally the corresponding operations are carried out.
  • the amount of time it takes to process the regulatory programs is required, determines the sampling times at which the reference variable and the controlled variable are sampled.
  • the accuracy with which the controlled variable is converted from the analog to the digital form must correspond to the desired control accuracy. Otherwise, individual adjustments of the control device (adaptive control device) to the properties of the controlled system are usually only possible by increasing the sampling time. Although these disadvantages are partially eliminated by fuzzy controllers, high sampling times also have an adverse effect here; Because the instantaneous values of the command and control variable are first converted into truth values, for which the numerical value range of the variables under consideration is characterized by linguistic values and described by a membership function (fuzzification). Finally, the linguistic rules are processed and the membership function is translated back into a representative numerical value of the manipulated variable y (defuzzification).
  • DE-OS 37 43 438 discloses a method for generating control signals as a function of input signals by means of a finite automaton.
  • the data storage device of the machine is divided into areas which are each assigned to an instantaneous state and consist of several sub-areas. These are each assigned to an input vector, the input vectors being the combinations of the input variables relevant for the current state, which are relevant for the respective current state. From the totality of the current incoming input variables, the input variables relevant for the respective instantaneous state are selected as current input vectors, and the partial area of the data memory is read out which is contained in the area assigned to the current state and is assigned to the current input vector. This shortens the response time to changes in the state of the input variables.
  • the present invention is based on the object of creating a control device of the type mentioned at the outset which acts quickly on a manipulated variable.
  • control device is provided in particular for a programmable state control.
  • FIG. 2 the assignment of digital vectors to relative deviations from analog quantities within predeterminable value ranges
  • FIG. 3 shows a state level
  • FIG. 4 shows the course of the command and control variable over time during a control process in the control device according to FIGS. 1 and
  • Figure 5 shows the representation of state transitions during the control process.
  • 1 denotes a comparison device of a control device 5 which, at a point in time t, comprises a control variable w from a reference variable w and a detected control variable x, which a measuring device 6 derives from a control variable xa
  • a Device 4 forms a difference quotient of the form from the controlled variable x at a time t + ⁇ t
  • the correction and actuating device 2 which has a memory, selects a subsequent state in accordance with a control specification stored in this memory as a function of the control difference d, the difference quotient q and a momentary state, and acts on a manipulated variable y of a controlled system 3 in accordance with this subsequent state.
  • a function which is assigned to this state and has been created in advance is carried out, which calculates a new value of the manipulated variable y.
  • FIG. 2 shows the assignment of digital vectors xd, xq to corresponding relative deviations aw, bw from analog values.
  • the three-bit wide digital vector xd forms the relative deviation
  • the digital vectors xd, xq with the coordinates (000) are the relative deviations aw, bw the analog values in a range from -100% to -60% and the digital vectors xd, xq with the coordinates (111) assigned to the range from +60% to +100%.
  • FIG. 3 shows a state level spanned by the digital vectors xd, xq.
  • the grid areas of the state level are assigned states ZO, ZI, ZI 1 ,...
  • the same state can be assigned to several grid areas.
  • the states ZI 1 , Z2 1 ... Z7 1 are, for example, states ZI, Z2 ... Z7 arranged mirror-symmetrically to the axis AA '.
  • the state Z7 of the raster area RF7 can e.g. B. mean "maximum manipulated variable y for increasing the speed of a motor to the desired speed" and the state Z7 'of the grid area RF7'
  • FIG. 5 shows the quadrant of the state level designated I in FIG. 3, in which state transitions at different points in time are shown during a control process shown in FIG. It is assumed that during the control process the controlled variable x runs according to the curve shown in FIG. 4 and that the current instantaneous state is state Z3 at a time t0 (FIG. 5).
  • the relative deviation bw is determined from the difference quotient, which is derived from the controlled variable x at the time score tO and tl
  • a function corresponding to this state is carried out, with which a new value for the manipulated variable y is calculated, for example according to the relationship:
  • the correction and setting device 2 with the digital vectors xd, / xq, (001) / (110) changes from the state ZI to the subsequent state ZO, and this subsequent state becomes during the state transition corresponding function is carried out with regard to the calculation of the manipulated variable y.
  • the control device permits the execution of an individually executable function for calculating a new value of each time the state changes Manipulated variable y.
  • the result of this is that the manipulated variable y can be manipulated as desired at each state transition, which allows the implementation of fast controllers with any behavior.
  • Control devices are to be implemented which have the property of being largely independent of the controlled system and which require a considerably shorter time to calculate the manipulated variable in comparison to known programmable logic controllers. Compared to conventional control devices, there is the further advantage that the binding of the
  • Controller to an exact PID behavior with corresponding parameter setting kp, ki, kd is canceled.
  • the "knowledge" about the non-linear behavior of a controlled system can be taken into account in the control device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung mit einer Vergleichseinrichtung (1), welche eine Regeldifferenz (d) aus einer Führungsgröße (w) und einer Regelgröße (x) ermittelt, und mit einer der Vergleichseinrichtung (1) nachgeordneten Korrektur- und Stelleinrichtung (2), welche eine Stellgröße (y) einer Regelstrecke (3) ermittelt. Die Regeleinrichtung wirkt dadurch schnell auf diese Stellgröße (y) ein, daß eine Einrichtung (4) aus der Regelgröße (x) einen Differenzenquotienten (q) ermittelt und der Korrektur- und Stelleinrichtung (2) zuführt, welche nach Maßgabe einer Regelvorschrift aus dem Differenzenquotienten (q) und der Regeldifferenz (d), ausgehend von einem Momentanzustand (Z0, Z1, ...), einen Folgezustand (Z0, Z1, ...) auswählt und entsprechend diesem Folgezustand (Z0, Z1, ...) auf die Stellgröße (y) einwirkt. Die Erfindung wird eingesetzt in Zpeicherprogrammierbaren Steuerungen.

Description

Beschreibung
Regeleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung mit einer Vergleichseinrichtung, welche eine Regeldifferenz aus einer Führungsgröße und einer Regelgröße ermittelt, und mit einer der Vergleichseinrichtung nachgeordneten Korrektur- und Stelleinrichtung, welche eine Stellgröße einer Regelstrecke ermittelt.
Es ist bekannt, zur Lösung von Regelungsaufgaben, z. B. zur Regelung einer Drehzahl eines Motors, Regeleinrich¬ tungen einzusetzen. Die Drehzahl (Regelgröße) des Motors wird von einer Meßeinrichtung der Regeleinrichtung erfaßt und einer Vergleichseinrichtung zugeführt. Aus dieser er¬ faßten Regelgröße und einer einer Soll-Drehzahl entspre¬ chenden Führungsgröße bildet die Vergleichseinrichtung eine Regeldifferenz, aus der eine Korrektur- und Stell¬ einrichtung eine Stellgröße erzeugt, welche auf eine Regelstrecke einwirkt und die gewünschte Verstellung der Regelgröße bewirkt.
Die beschriebene Regelungsaufgabe kann auch eine speicher¬ programmierbare Steuerung mit einem entsprechenden dafür vorgesehenen Programm lösen. Zunächst wird die in analoger Form vorliegende Regelgröße abgetastet und in eine digita¬ le Form umgewandelt. Anschließend berechnet die speicher¬ programmierbare Steuerung aus dieser Regelgröße und der Führungsgröße die Regeldifferenz sowie nach Maßgabe eines Regelalgorithmus aus der Regeldifferenz die Stellgröße, welche nach einer Umwandlung in eine analoge Größe aus¬ gegeben wird. Eine solche Lösung mit einer gewöhnlichen speicherprogrammierbaren Steuerung hat den Nachteil, daß die einzelnen Anweisungen des Regelungsprogramms aus einem Speicher nach und nach ausgelesen, interpretiert und schließlich die entsprechenden Operationen ausgeführt werden. Die Zeitspanne, die zur Bearbeitung des Regelungs- programms benötigt wird, bestimmt die Abtastzeitpuπkte, zu denen die Führungsgröße und die Regelgröße abgetastet werden. Außerdem muß die Genauigkeit, mit der die Regel¬ größe von der analogen in die digitale Form umgewandelt wird, der gewünschten Regelgenauigkeit entsprechen. Im übrigen sind individuelle Anpassungen der Regeleinrichtung (adaptive Regeleinrichtung) an die Eigenschaften der Regelstrecke meist nur durch Vergrößerung der Abtastzeit möglich. Diese Nachteile werden zwar von Fuzzy-Reglern teilweise beseitigt, jedoch wirken sich auch hier hohe Abtastzeiten nachteilig aus; denn die Momentanwerte der Führungs- und Regelgröße werden zunächst in Wahrheitswerte überführt, wozu der numerische Wertebereich der betrachteten Größen durch linguistische Werte charakterisiert und durch eine Zugehörigkeitsfunktion beschrieben wird (Fuzzifizierung) . Schließlich werden die linguistischen Regeln bearbeitet sowie die Zugehörigkeitsfunktion in einen repräsentativen Zahlenwert der Stellgröße y rückübersetzt (Defuzzifizie- ruπg).
Aus der DE-OS 37 43 438 ist ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen in Abhängigkeit von Eingaπgssignalen mit¬ tels eines endlichen Automaten bekannt. Der Datenspeicher des Automaten ist in Bereiche unterteilt, welche je einem Momentanzustand zugeordnet sind und aus mehreren Teil¬ bereichen bestehen. Diese sind jeweils einem Eingangs¬ vektor zugeordnet, wobei die Eingangsvektoren die für den jeweiligen Momentanzustand relevanten Kombinationen der für den Momentanzustand relevanten Eingangsgrößen sind. Aus der Gesamtheit der aktuellen eingehenden Eingangs¬ größen werden die für den jeweiligen Momentanzustand relevanten Eingangsgrößen als aktuelle Eingangsvektoren ausgewählt, und es wird der Teilbereich des Datenspeichers ausgelesen, der in dem dem Momeπtanzustand zugeordneten Bereich enthalten und dem aktuellen Eingangsvektor zuge¬ ordnet ist. Dadurch wird die Reaktionszeit auf Zustands- änderungen der Eingangsgrößen verkürzt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaf¬ fen, welche auf eine Stellgröße schnell einwirkt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ist insbesondere für eine speicherprogrammierbare Zustandssteuerung vorgesehen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist, werden die Erfindung, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Regeleinrichtung,
Figur 2 die Zuordnung von Digitalvektoren zu relativen Abweichungen von Analoggrößen innerhalb vorgeb¬ barer Wertebereiche,
Figur 3 die Darstellung einer Zustandsebene,
Figur 4 den zeitlichen Verlauf der Führungs- und Regel¬ größe während eines Regelvorgangs in der Regel- einrichtung gemäß Figur 1 und
Figur 5 die Darstellung von Zustandsübergängen während des Regelvorgangs.
In Figur 1 ist mit 1 eine Vergleichseinrichtung einer Regeleinrichtung 5 bezeichnet, die aus einer Führungsgröße w und einer erfaßten Regelgröße x, welche eine Meßeinrich¬ tung 6 aus einer Regelgröße xa ableitet, zu einem Zeit¬ punkt t eine Regeldifferenz der Form
d = kl (x(t) - w(t))
ermittelt, wobei kl eine konstante Größe darstellt. Eine Einrichtung 4 bildet aus der Regelgröße x zu einem Zeit¬ punkt t + Δt einen Differenzenquotienten der Form
π - x(t) - x (t - Δt) q ~ Δt
welcher einer der Einrichtung 4 und der Vergleichseinrich¬ tung 1 nachgeordneten Korrektur- und Stelleinrichtung 2 zusammen mit der Regeldifferenz d zugeführt wird. Die einen Speicher aufweisende Korrektur- und Stelleinrichtung 2 wählt nach Maßgabe einer in diesem Speicher hinterlegten Regelvorschrift in Abhängigkeit der Regeldifferenz d, des Differenzenquotienten q und eines Momentaπzustandes einen Folgezustaπd aus und wirkt entsprechend diesem Folge¬ zustand auf eine Stellgröße y einer Regelstrecke 3 ein. Dabei wird beim Übergang in diesen Folgezustand eine diesem Zustand zugeordnete, vorab erstellte Funktion ausgeführt, welche einen neuen Wert der Stellgröße y berechnet.
Zur Erläuterung der Regelvorschrift wird zunächst auf Figur 2 verwiesen. Die Figur zeigt die Zuordnung von Digitalvektoren xd, xq zu entsprechenden relativen Ab¬ weichungen aw, bw von Analogwerten. Dabei bildet der drei Bit breite Digitalvektor xd die relative Abweichung
Figure imgf000006_0001
innerhalb vorgebbarer Grenzen a, b ... f ab, der ebenfalls drei Bit breite Digitalvektor xq die relative Abweichung
bw = A . 100 [§]
innerhalb dieser Grenzen, wobei d die Regeldifferenz, w die Führungsgröße, x die erfaßte Regelgröße, q der Differenzenquotient und s die Zeiteinheit Sekunde be¬ deuten. Z. B. sind die Digitalvektoren xd, xq mit den Koordinaten (000) den relativen Abweichungen aw, bw der Analoggrößen in einem Bereich von -100 % bis -60 % und die Digitalvektoren xd, xq mit den Koordinaten (111) dem Bereich von +60 % bis +100 % zugeordnet.
Figur 3 zeigt eine durch die Digitalvektoren xd, xq auf¬ gespannte Zustandsebene. Aufgrund der Kenntnis über das Verhalten der Regelstrecke 3 (Figur 1) sind den Raster¬ flächen der Zustandsebene Zustände ZO, ZI, ZI1, ... zu¬ geordnet, wobei mehreren Rasterflächen derselbe Zustand zugeordnet werden kann. Die Zustände ZI1, Z21 ... Z71 sind beispielsweise spiegelsymmetrisch zur Achse A-A' angeordnete Zustände ZI, Z2 ... Z7. Der Zustand Z7 der Rasterfläche RF7 kann z. B. bedeuten "Maximale Stell¬ größe y zum Hochfahren der Drehzahl eines Motors auf Soll- Drehzahl" und der Zustand Z7 ' der Rasterfläche RF7'
"Maximale Stellgröße y zum Reduzieren der Drehzahl eines Motors auf Soll-Drehzahl".
Im folgenden wird - Bezug nehmend auf die Figuren 4 und 5 - die Funktions- und Wirkungsweise der erfindungs¬ gemäßen Regeleinrichtung näher erläutert. In Figur 5 ist der in Figur 3 mit I bezeichnete Quadrant der Zustandsebene dargestellt, in welchem während eines in Figur 4 gezeigten Regelvorganges Zustandsübergänge zu ver- schiedenen Zeitpunkten dargestellt sind. Es wird angenom¬ men, daß während des Regelvorgangs die Regelgröße x gemäß der in Figur 4 dargestellten Kurve verläuft und daß zu einem Zeitpunkt tO der aktuelle Momentanzustand der Zu¬ stand Z3 ist (Figur 5). Zu einem Zeitpunkt tl liegt die relative Abweichung aw der Regelgröße x von der Führungs¬ größe w im Bereich zwischen ca. -60 und ca. -100 %, wo¬ durch die Korrektur- und Stelleinrichtung 2 nach Maßgabe der Regelvorschrift einen dieser Abweichung aw entspre¬ chenden Digitalvektor xd = (000) bildet (Figur 2). Die relative Abweichung bw ermittelt sich aus dem Differenzen¬ quotienten, welcher aus der Regelgröße x zu den Zeit- punkten tO und tl zu
x (tl) - x (tl - tO) (tl - tO)
berechnet wird, und liegt in einem Bereich zwischen ca. +15 und ca. +30 %. Die Korrektur- und Stelleinrich¬ tung 2 bildet dadurch einen Digitalvektor xq = (101) und wählt mit dem zum Zeitpunkt tl gebildeten Digitalvektor¬ paar xd, xq, ausgehend von dem zum Zeitpunkt tO gültigen Momentanzustand Z3, den Folgezustaπd Z2 (Figur 3) aus. Beim Übergang in diesen Folgezustand Z2 wird eine für diesen Zustand entsprechende Funktion ausgeführt, mit welcher ein neuer Wert für die Stellgröße y berechnet wird, beispielsweise entsprechend der Beziehung:
yZ2 = k2 . yZ3,
wobei k2 eine positiv reelle Konstante bedeutet. Entspre¬ chend wird zu einem Zeitpunkt t2 mit den gebildeten Digitalvektorpaaren xd/xq = (001)/(101) von dem zum Zeit¬ punkt tl gültigen Momeπtanzustand Z2 in den Folgezustand ZI übergegangen und ein neuer Wert der Stellgröße y ent¬ sprechend der Beziehung
yzl = k3 . yZ2, k3 positiv reelle Konstante,
berechnet.
Zu einem Zeitpunkt t3 = t2 + Δt wechselt die Korrektur- und Stelleinrichtung 2 mit den Digitalvektoren xd,/xq, = (001)/(110) vom Zustand ZI in den Folgezustand ZO, und es wird während des Zustandsüberganges die diesem Folge¬ zustand entsprechende Funktion im Hinblick auf die Berechnung der Stellgröße y ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung erlaubt bei jedem Zustandswechsel die Ausführung einer individuell durch¬ führbaren Funktion zur Berechnung eines neuen Wertes der Stellgröße y. Dadurch ergibt sich, daß bei jedem Zustands- übergang die Stellgröße y beliebig manipuliert werden kann, was die Realisierung von schnellen Reglern mit be¬ liebigem Verhalten erlaubt. Es sind Regeleinrichtungen zu verwirklichen, welche die Eigenschaft haben, weitestgehend unabhängig von der Regelstrecke zu sein und die eine er¬ heblich kürzere Zeit zum Berechnen der Stellgröße im Ver¬ gleich zu bekannten speicherprogrammierbaren Steuerungen benötigen. Gegenüber konventionellen Regeleinrichtungen ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Bindung des
Reglers an ein exaktes PID-Verhalten mit entsprechender Parametereinstellung kp, ki, kd aufgehoben ist. Die Regelvorschrift läßt sich vereinfacht folgendermaßen beschreiben: Wenn sich die Regeleinrichtung zum Zeitpunkt ti in einem Zustand Zi(t) befindet und sie zu einem Zeitpunkt tk = ti + Δt ein neu geordnetes digitales Eingangsvektor¬ paar xdk, xqk abtastet, so geht die Regeleinrichtung in einen dem neuen Eingangsvektorpaar zugeordneten Folge- zustand Zk über und bildet mittels einer beliebig wähl¬ baren, vorab im Speicher der Regeleinrichtung hinterlegten Funktion fk eine neue Stellgröße yk. Das "Wissen" über das nichtlineare Verhalten einer Regelstrecke kann in der Regeleinrichtung berücksichtigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Regeleinrichtung
- mit einer Vergleichseinrichtung (1), welche eine Regel- differenz (d) aus einer Führungsgröße (w) und einer
Regelgröße (x) ermittelt, und
- mit einer der Vergleichseinrichtung (1) nachgeordneten Korrektur- und Stelleinrichtung (2), welche eine Stell¬ größe (y) einer Regelstrecke (3) ermittelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Einrichtung (4) aus der Regelgröße (x) einen Differenzenquotieπten (q) ermittelt und der Korrektur- und Stelleinrichtung (2) zuführt, welche nach Maßgabe einer Regelvorschrift aus dem Differenzenquotienten (q) und der Regeldifferenz (d), ausgehend von einem Momentanzustand (ZO, ZI, ...), einen Folgezustand (ZO, ZI, ...) auswählt und entsprechend diesem Folgezustand (ZO, ZI, ...) auf die Stellgröße (y) einwirkt.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Korrektur- und Stelleinrichtung (2) gemäß der Regelvorschrift
- jeweils einem vorgebbaren Wertebereich der Regeldiffe- renz (d) und des Differenzenquotienten (q) Digital¬ vektoren (xd, xq) zuordnet,
- eine die Zustände (ZO, ZI, ...) aufweisende Zustands¬ ebene durch die Digitalvektoren (xd, xq) aufspannt und
- die Zustände (ZO, ZI, ...) mit Digitalvektorpaaren (xd/xq) auswählt.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einwirkung auf die Stellgröße (y) entsprechend dem Folgezustand (ZO, ZI, ...) mittels einer vorab erstellten Funktion durchgeführt wird.
4. Speicherprogrammierbare Zustandssteuerung mit einer Regeleinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
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