DE1190547B

DE1190547B - Process for optimum value control

Info

Publication number: DE1190547B
Application number: DES83151A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Heinz Kronmueller
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-01-04
Filing date: 1963-01-04
Publication date: 1965-04-08

Description

Verfahren zur Optimalwertregelung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimalwertregelung, bei dem mittels eines Suchsignals konstanter Amplitude und Frequenz die Stellgröße periodisch geändert und die Auswirkung dieser Änderung auf die Regelgröße zur Bildung des Stellimpulses ausgewertet wird.Method for optimal value regulation The invention relates to a method for optimum value control, in which by means of a search signal of constant amplitude and frequency the manipulated variable changed periodically and the effect of this change is evaluated on the controlled variable for the formation of the control pulse.

Zur Regelung von Größen, die in Abhängigkeit von einer bestimmten Stellgröße ein Optimum durchlaufen, werden sogenannte Optimalwertregler verwendet. Bei einer bekannten Regeleinrichtung dieser Art wird das Optimum dadurch gefunden, daß der Stellgröße eine Schwankung bestimmter Periode, genannt Suchsignal, überlagert und die Auswirkung dieser Maßnahme auf die Regelgröße bestimmt und zur Bildung des Stellimpulses ausgewertet wird. Um die Auswirkung des Stellimpulses in der Regelgröße zu erkennen, wird diese über ein Filter einem Integrationsgerät zugeführt und dort mit dem Suchsignal multipliziert. Aus dem Produkt wird schließlich der Stehimpuls gebildet. Wenn die Regelgröße stark von statistisch schwankenden Störgrößen überlagert ist, kann mit der bekannten Methode die Auswirkung des Suchsignals nicht mehr eindeutig erkannt werden. Das Filter, über das die Regelgröße der Integrationseinrichtung zugeführt wird, muß sehr genau auf die Frequenz des Suchsignals abgestimmt werden, damit alle oberhalb und unterhalb der Frequenz des Suchsignals liegenden Störfrequenzen ausgeschaltet werden. In der Praxis ist es im allgemeinen nicht möglich, mit vertretbarem Aufwand ein derartig selektiv arbeitendes Filter herzustellen.For the regulation of sizes that depend on a certain When the manipulated variable passes through an optimum, so-called optimum value controllers are used. In a known control device of this type, the optimum is found by that a fluctuation of a certain period, called a search signal, is superimposed on the manipulated variable and the effect of this measure on the controlled variable is determined and for the formation of the Control pulse is evaluated. About the effect of the control pulse on the controlled variable to recognize, this is fed through a filter to an integration device and there multiplied by the search signal. The product then becomes the standing impulse educated. When the controlled variable is heavily superimposed by statistically fluctuating disturbance variables is, the effect of the search signal can no longer be unambiguous with the known method be recognized. The filter through which the controlled variable of the integration device must be matched very precisely to the frequency of the search signal, thus all interference frequencies above and below the frequency of the search signal turned off. In practice it is generally not possible with justifiable Effort to produce such a selectively working filter.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Optimalwertregelung anzugeben, bei dem zwar ebenfalls ein Suchsignal die Stehgröße periodisch ändert, bei dem jedoch das Filter in dem die Regelgröße erfassenden Meßkreis entbehrlich wird. Bei dem neuen Verfahren ist sichergestellt, daß auch bei starken statistischen Schwankungen der Regelgröße die Auswirkung des Suchsignals eindeutig erkennbar ist. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß absatzweise während dreier aufeinanderfolgender Halbperioden des Suchsignals mittels eines Integrators forlaufend der Mittelwert der Regelgröße X gebildet und mit Hilfe von Recheneinrichtungen vom vorletzten Mittelwert Xn_1 die Hälfte des letzten und des vor dem vorletzten gebildeten Mittelwertes abgezogen wird und daß aus dem so erhaltenen Differenzwert der Stellimpuls abgeleitet wird. Es ist bekannt, bei einer Regeleinrichtung für Walzwerke die Auswirkung der Walzenexzentrizität auf die Regelgröße in der Weise aufzuschalten, daß in der Umdrehungsperiode der Walze entsprechenden periodischen Zeitintervallen ein Mittelwert der Regelgröße gebildet und in einem Kondensator gespeichert wird. Die gespeicherten Werte werden dann nacheinander abgerufen und wieder gelöscht, so daß neue Mittelwerte gespeichert werden können.The present invention is therefore based on the object of specifying a method for the optimum value control in which a search signal also changes the standing quantity periodically, but in which the filter in the measuring circuit which detects the controlled quantity is dispensable. The new method ensures that the effect of the search signal can be clearly recognized even with strong statistical fluctuations in the controlled variable. According to the invention, this is achieved by intermittently forming the mean value of the controlled variable X by means of an integrator during three successive half-periods of the search signal, and half of the last mean value Xn_1 from the penultimate mean value Xn_1 with the help of computing devices and the mean value formed before the penultimate one is deducted and that from the difference value thus obtained the control pulse is derived. It is known to switch the effect of the roll eccentricity on the controlled variable in a control device for rolling mills in such a way that a mean value of the controlled variable is formed and stored in a capacitor in the periodic time intervals corresponding to the rotation period of the roll. The saved values are then called up one after the other and then deleted again so that new mean values can be saved.

Ferner ist es bekannt, den Mittelwert einer Kursabweichung dadurch zu bilden, daß ein Schaltglied bei einer Abweichung nach der einen Seite die Ladung eines Kondensators erhöht und bei einer Abweichung nach der anderen Seite verringert. Wenn die Ladung in der einen oder anderen Richtung ein bestimmtes Maß überschreitet, wird ein Gasentladungsrohr gezündet und eine Kurskorrektur eingeleitet.It is also known to calculate the mean value of a course deviation to form that a switching element in the event of a deviation to one side, the charge of a capacitor increased and decreased in the event of a deviation to the other side. If the charge in one direction or the other exceeds a certain level, a gas discharge tube is ignited and a course correction initiated.

Schließlich ist es bekannt, daß Gewicht der aus einer Zigarettenmaschine herauskommenden Produkte in bestimmten Zeitabständen festzustellen und die Abweichungen vom Mittelwert zu speichern. Bei einer bestimmten Gewichtsabweichung in dem einen oder dem anderen Sinne werden dann Korrekturvorgäng ausgelöst.Finally, it is known that the weight of a cigarette machine determine the products coming out at certain time intervals and determine the deviations of the mean value to be saved. With a certain weight deviation in one or the other sense, corrective processes are then triggered.

Alle diese bekannten Einrichtungen und Verfahren beziehen sich auf bestimmte Methoden zur Mittelwertbildung einer Regelgröße innerhalb eines vorgegegebenen Zeitabschnittes. Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung nicht um eine reine Mittelwertbildung, sondern um eine Optimalwertregelung, bei der die festgestellten und gespeicherten Mittelwerte in einer Recheneinrichtung in ganz bestimmter, oben angegebener Weise kombiniert werden, damit in sinnvoller Weise eine Stellgröße für die Optimalwertregelung gebildet wird.All of these known devices and procedures relate to certain methods for averaging a controlled variable within a given one Period of time. In contrast, the invention is not a pure one Averaging, but rather an optimal value control in which the determined and stored mean values in a computing device in very specific, above can be combined in the specified manner so that a manipulated variable for the optimal value control is formed.

An Hand der Zeichnung soll das neue Verfahren näher erläutert werden. F i g. 1 zeigt dabei ein Prinzipbild der Wirkungsweise, während in F i g. 2 und 3 Schaltungsbeispiele für die Ausbildung des Integrators und der Recheneinrichtungen angegeben sind. Es wird hier mit bekannten Elementen aus der digitalen Meßtechnik, wie Amplituden-Frequenzwandlern, Zählketten, Impulszahlgebern, Kippstufen und Digital-Analogwandlern, gearbeitet. Die Rechenoperationen können aber auch mit analogen Schaltungen, z. B. mit Hilfe von Widerstandsnetzwerken in Verbindung mit Speicherkondensatoren, durchgeführt werden. Zur Speicherung der Werte lassen sich Kondensatorschaltungen verwenden.The new method is to be explained in more detail using the drawing. F i g. 1 shows a Principle of the mode of action while in Fig. 2 and 3 circuit examples for the training of the integrator and the Computing facilities are specified. It is here with familiar elements from the digital measuring technology, such as amplitude-frequency converters, counting chains, pulse counters, Multivibrators and digital-to-analog converters, worked. The arithmetic operations can but also with analog circuits, e.g. B. with the help of resistor networks in Connection with storage capacitors. To save the values capacitor circuits can be used.

Nach F i g. 1 wirkt auf eine Regelstrecke R die Stellgröße Y, die Regelgröße X wird gemessen und in einem Integrations- und Rechengerät RI der oben angegebene Differenzwert gebildet. Ein Signalgeber SG erzeugt das Suchsignal, das der Stellgröße Y überlagert wird. Das Suchsignal kann z. B. aus Rechteckimpulsen oder einer Sinusschwingung bestehen und steuert gleichzeitig das Gerät R1. Der in RI gebildete Differenzwert wird noch mit einem konstanten Faktor A multipliziert und auf diese Weise der Stellimpuls A Y gebildet, der dem nicht gezeigten Stellglied in der Regelstrecke zugeführt wird.According to FIG. 1, the manipulated variable Y acts on a controlled system R, the controlled variable X is measured and the difference value specified above is formed in an integration and computing device RI. A signal generator SG generates the search signal, which is superimposed on the manipulated variable Y. The search signal can e.g. B. consist of square pulses or a sine wave and controls the device R1 at the same time. The difference value formed in RI is then multiplied by a constant factor A and in this way the actuating pulse AY is formed, which is fed to the actuator (not shown) in the controlled system.

In F i g. 2 ist in schematischer Darstellung ein Beispiel für den Aufbau des Gerätes RIangegeben. Die über den Weg 25 ankommende Regelgröße wird in einem Amplituden-Frequenzwandler 1 in eine der Amplitude proportionale Impulsfrequenz umgewandelt. Die Impulse können über von einem Steuergerät 10 gesteuerte Gatter 7, 8, 9 in Zählketten 2, 3, 4 gelangen und dort in Form von Kontakt- oder Transistorschaltstellungen als digitale Werte gespeichert werden. Die digitalen Werte lassen sich über Gatter 12 bis 14 und einen Impulszahlgeber 15, wieder in Impulse umformen und in eine weitere Zählkette 19 eingeben, die vorwärts und rückwärts zählen kann. Mit 16 ist ein Impulsuntersetzer bezeichnet, der als bistabile Kippstufe wirkt und nur jeden zweiten eintreffenden Impuls in seinem Ausgang weitergibt. Mit Hilfe eines Digital-Analogwandlers 20 kann der Differenzwert als analoger Wert, z. B. als eingeprägter Strom, ausgegeben und in einem Widerstandsnetzwerk mit einem wählbaren Faktor A multipliziert werden.In Fig. 2 shows an example of the structure of the device RI in a schematic representation. The controlled variable arriving via path 25 is converted in an amplitude-frequency converter 1 into a pulse frequency proportional to the amplitude. The pulses can reach counting chains 2, 3, 4 via gates 7, 8, 9 controlled by a control unit 10 and are stored there as digital values in the form of contact or transistor switch positions. The digital values can be converted back into pulses via gates 12 to 14 and a pulse counter 15 and entered into a further counting chain 19 which can count up and down. With 16 a pulse divider is referred to, which acts as a bistable multivibrator and only forwards every second incoming pulse in its output. With the aid of a digital-to-analog converter 20 , the difference value can be converted into an analog value, e.g. B. as an impressed current, output and multiplied by a selectable factor A in a resistor network.

Das Steuergerät 10, dem das Suchsignal vom Generator SG über den Zweig 24 zugeführt wird, steuert die Operationen der verschiedenen Geräte. Während der ersten Halbwelle des Suchsignals wird beispielsweise in der Zählkette 4 der Mittelwert X.-2 der Regelgröße gespeichert. In der zweiten Halbperiode gelangt der Mittelwert X._1 der Regelgröße in die Zählkette 3, während in der nächsten Halbperiode der Mittelwert X" in der Zählkette 2 gespeichert wird. Um den Differenzwert zu bilden, werden die Mittelwerte der Regelgröße in bestimmter Reihenfolge aus den Zählketten 2 bis 4 abgerufen. Zunächst wird über das Gatter 13 und den Impulszahlgeber 15 der in der Zählkette 3 gespeicherte Mittelwert X"-1 über das Gatter 18 in die Zählkette 19 eingezählt. Dann wird der Mittelwert X. in der Zählkette 2 über das Gatter 12, über den Impulszahlgeber 15, über den Impulsuntersetzer 16 und über das Gatter 17 so auf die Zählkette 19 gegeben, daß die eintreffenden Impulse von der in 19 bereits gespeicherten Impulszahl abgezogen werden. Der in 2 gespeicherte Mittelwert wird, nachdem er in 15 in Impulse umgewandelt und in 16 auf die halbe Impulszahl reduziert worden ist, somit aus der Zählkette 19 herausgezählt, so daß in der Zählkette der Wert Xn-, - Xn steht. Im Anschluß daran wird' in gleicher Weise der Mittelwert X.-2 in der Zählkette 4 über die Geräte 14, 15 16, 17 aus der Zählkette 19 herausgezählt. Der so erhaltene Differenzwert wird schließlich an den Digital-Analogwandler 20 weitergegeben. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Rechenoperationen in einer Zeit ablaufen, die kurz ist im Verhältnis zur Periodenzeit des Suchsignals, da während der Rechenoperationen der Speichervorgang der Regelgröße unterbrochen wird. Wie gestrichelt mit dem Symbol 5 angedeutet ist, kann auch über die Gatter 6 und 11 eine zusätzliche Zählkette angeschlossen werden, welche die Aufgabe hat, während der Rechenzeit den anfallenden neuen Mittelwert zu speichern.The control device 10, to which the search signal is fed from the generator SG via the branch 24 , controls the operations of the various devices. During the first half cycle of the search signal, the mean value X.-2 of the controlled variable is stored in the counting chain 4, for example. In the second half period, the mean value X._1 of the controlled variable enters counting chain 3, while in the next half period the mean value X "is stored in counting chain 2. By the difference value the mean values of the controlled variable are retrieved from counting chains 2 to 4 in a specific order. First, through the gate 13 and the pulse number generator 15 the information stored in the counting chain 3 mean X "be counted -1 through gate 18 to the counting chain 19th Then, the average value is X. counting chain 2 via the gate 12, via the pulse number generator 15 , sent via the pulse divider 16 and via the gate 17 to the counting chain 19 in such a way that the incoming pulses are subtracted from the number of pulses already stored in 19. The mean value stored in 2 is converted into pulses after it has been converted into 15 and converted into 16 into the half the number of pulses has been reduced, thus counted out of the counting chain 19, so that the value Xn-, - Xn is in the counting chain. Subsequently, the mean value X.-2 in the counting chain 4 via the devices 14, 15, 16, 17 are counted out of the counting chain 19. The difference value obtained in this way is finally passed on to the digital-to-analog converter 20. It is assumed here that the arithmetic operations take place in a short time in relation to the period time of the search signal, since the storage process of the controlled variable is interrupted during the arithmetic operations. As indicated by the broken line with the symbol 5, an additional counting chain can also be connected via the gates 6 and 11 , which has the task of storing the new mean value that arises during the computing time.

Die Zählkette 19 muß so beschaffen sein, daß in der Nullstellung stets eine feste Impulszahl eingespeichert ist, die z. B. der halben Zählkapazität entspricht, damit auch negative Werte der Differenz gebildet werden können (z. B. Zählkapazität in der positiven Endlage zweihundert Impulse; Nullstellung einhundert Impulse; negative Endlage kein Impuls). Der Digital-Analogwandler 20, der den Impulswert in einen Spannungswert oder Stromwert umformt, enthält dann eine Kompensationsquelle, die einen der halben Zählkapazität entsprechenden Spannungs- oder Stromwert dem Ausgang entgegenschaltet. Dadurch wird erreicht, daß negative und positive Ausgangssignale abhängig davon, ob die Differenz negativ oder positiv ist, ausgegeben werden können.The counting chain 19 must be such that a fixed number of pulses is always stored in the zero position, the z. B. corresponds to half the counting capacity, thus also negative values of the difference can be generated (e.g. counting capacity in the positive end position two hundred pulses; zero position one hundred pulses; negative end position no pulse). The digital-to-analog converter 20, which converts the pulse value into a voltage value or current value, then contains a compensation source which switches a voltage or current value corresponding to half the counting capacity counter to the output. This means that negative and positive output signals can be output depending on whether the difference is negative or positive.

Nachdem der Differenzwert gebildet ist, muß ein neuer Mittelwert der Regelgröße, der Wert X.+" gespeichert und der Wert X--2 gelöscht werden. Die Zählkette 4 wird also gelöscht (Impuls über den Weg 26 vom Steuergerät) und der Wert X.+, in die Zählkette 4 eingespeichert. Das Steuergerät arbeitet jetzt in einem abgewandelten Zyklus, so daß zunächst der Mittelwert in der Zählkette 2 über den Impulszahlgeber 15 auf die Zählkette 19 gelangt und daß dann der Mittelwert in der Zählkette 4 über 15 und 16 aus der Zählkette 19 herausgezählt und anschließend der Mittelwert im Speicher 3 auf dem gleichen Weg herausgezählt wird.After the difference value has been formed, a new mean value of the controlled variable, the value X. + ", must be saved and the value X - 2 deleted. The counting chain 4 is therefore deleted (pulse via path 26 from the control unit) and the value X. +, stored in the counting chain 4. The control unit now operates in a modified cycle, so that the mean value in the counting chain 2 first reaches the counting chain 19 via the pulse counter 15 and then the mean value in the counting chain 4 via 15 and 16 from the Counting chain 19 is counted out and then the mean value in memory 3 is counted out in the same way.

Für den nächsten Zyklus wäre der Mittelwert in der Kette 3 zu löschen (Leitung 27) und der neue Mittelwert X-+2 dort einzuspeichern. Die Zählketten werden jetzt in der Reihenfolge 4, 3, 2 über den Impulszahlgeber 15 auf die Zählkette 19 geschaltet, um den Differenzwert zu ermitteln. In entsprechender Weise läuft die Steuerung weiter, indem beim nächsten Zyklus der Wert in der Zählkette 2 gelöscht und dort der neue Wert X.+, eingespeichert wird.For the next cycle, the mean value in chain 3 would have to be deleted (line 27) and the new mean value X- + 2 stored there. The counting chains are now switched in the sequence 4, 3, 2 via the pulse counter 15 to the counting chain 19 to the difference value to investigate. The control continues to run in a corresponding manner by deleting the value in counting chain 2 during the next cycle and storing the new value X. + there.

Soll die Zuordnung der Zählketten 2, 3, 4 erhalten bleiben, so kann z. B. eine Schaltung entsprechend F i g. 3 gewählt werden. Die Impulse aus dem Amplituden-Frequenzwandler 1 gelangen jetzt über das Gatter 21 auf die Zählkette 2. Nach der ersten Halbperiode wird der Mittelwert in der Kette 2 über das Gatter 12, über den Impulszahlgeber 15 und über das Gatter 22 in die Zählkette 3 eingezählt. In der zweiten Halbperiode gelangen dann wieder die Impulse aus dem Gerät 1 über das Gatter 21 in die Zählkette 2. Vor der dritten Halbperiode wird der in der Zählkette 3 gespeicherte Mittelwert über das Gatter 13, den Impulsgeber 15 und das Gatter 23 in die Zählkette 4 -eingezählt und der in der Kette 2 stehende Mittelwert über 12, 15, 22 in die Kette 3 übertragen, so daß die Kette 2 die Impulse der dritten Halbperiode aufnehmen kann. Für die nächste Halbperiode wird der Wert in der Kette 4 gelöscht und die Werte in den Ketten 2 und 3 entsprechend auf die Ketten 3 und 4 übertragen, während die Kette 2 den neu einlaufenden Mittelwert speichert. Die Errechnung der Differenzwerte läuft in gleicher Weise ab, wie früher an Hand von F i g. 2 beschrieben wurde. Auch im Falle von F i g. 3 kann eine zusätzliche Zählkette angeordnet werden, um während der Rechen- und Speicherzeit den einlaufenden Mittelwert festzuhalten.If the assignment of the counting chains 2, 3, 4 is to be retained, z. B. a circuit according to F i g. 3 can be selected. The pulses from the amplitude-frequency converter 1 now reach the counting chain 2 via the gate 21. After the first half cycle, the mean value in the chain 2 is counted into the counting chain 3 via the gate 12, via the pulse counter 15 and via the gate 22. In the second half-period, the pulses from device 1 are returned to counting chain 2 via gate 21. Before the third half-period, the mean value stored in counting chain 3 is transferred to counting chain 4 via gate 13, pulse generator 15 and gate 23 - counted and the mean value in chain 2 is transferred via 12, 15, 22 to chain 3, so that chain 2 can absorb the pulses of the third half-period. For the next half-period, the value in chain 4 is deleted and the values in chains 2 and 3 are transferred accordingly to chains 3 and 4, while chain 2 stores the newly arriving mean value. The calculation of the difference values proceeds in the same way as earlier with reference to FIG. 2 has been described. Also in the case of FIG. 3 an additional counting chain can be arranged in order to record the incoming mean value during the calculation and storage time.

Wird das neue Verfahren zur Optimalwertregelung bei Regelstrecken mit Totzeit angewendet, so empfiehlt es sich, die Frequenz des Suchsignals so zu wählen, daß seine Periodendauer annähernd gleich der doppelten Totzeit der Regelstrecke ist.Will be the new method for optimum value control in controlled systems With dead time applied, it is best to adjust the frequency of the search signal so too choose that its period is approximately equal to twice the dead time of the controlled system is.

Claims

Claims: 1. A method for optimum value control, in which the standing variable is periodically changed by means of a search signal of constant amplitude and frequency and the effect of this change on the controlled variable is evaluated for the formation of the actuating pulse, characterized in that intermittently during three successive half-periods of the search signal by means of an integrator the mean value of the controlled variable X is continuously formed and, with the help of arithmetic units, the penultimate mean value X ″ is half of the last and the mean value formed before the penultimate one is deducted and that from the difference value thus obtained the standing impulse is derived.

2. A method for optimum value control according to claim 1 for controlled systems with dead time, characterized in that the frequency of the search signal is chosen so that its period is at least approximately twice the dead time corresponds to the controlled system.

3. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that counting chains are used for integration, the one The control unit switches on intermittently during the half-periods of the signal frequency, that to form the difference value for the control pulse, the control unit uses a pulse generator switches, which queries the counting chains in the sequence necessary for the difference formation and the pulses according to the sign of the respective value to be processed counting up or down in a counting chain.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that a pulse scaler stage for halving the stored last and penultimate mean values in the transmission path of the pulses to the counting chain can be switched on.

5. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that capacitor circuits are used to store the mean values and resistor networks in connection with storage capacitors to form the difference are used. Considered publications: German Patent Specifications No. 941411, 954 138; German interpretative document No. 1 130 901.