Anti Windup Schwebende Kugel!

[Dan M. (luizaranha)]

Hallo Forum,

Wir hatten vor kurzen ein Labor zur schwebenden Kugel.
Darin wurde ein analoger (keine Zustandsregelung) Regelkreis für die 
schwebenden Kugel entwickelt.

Die schwebende Kugel schwebt ja bekanntlich durch eine Gegenkraft, die 
Magnetkraft. Die Magnetkraft wird von einer stromdurchflossenen Spule 
erzeugt. Der Strom durch die Spule muss mit einem Anti Wind Up begrenzt 
werden, da der Steller keinen beliebig hohen Strom kann. Der 
Stromregelkreis ist hierbei der innere Regelkreis.

Der äußere REgelkreis ist die nichtlineare beziehung zwischen Stom und 
position der Magnetkraft. Hier wird um einen Positions und 
Stromarbeitspunkt linearisiert. Für die Position kann man natürlich auch 
wieder verschiedene Positionssollwerte vorgeben.

Jetzt die Frage: Braucht man wie für den inneren Stromregelkreis für den 
äußeren REgelkreis (Positionsregelkreis linearisiert) auch ein 
Anti-WIndup?

Gruß Daniel

[Thomas B. (detritus)]

Den Anti-Windup braucht man dann, wenn die Stellgrößenbeschränkung vom 
Regler überschritten wird und dieser einen I-Anteil besitzt.
Der äussere RK regelt die Position, seine Stellgröße ist dann der 
Stromsollwert des inneren.
Der äussere sieht keine Beschränkung seiner Stellgröße (der 
Stromsollwert ist für ihn beliebig und das Problem der nächsten Stufe). 
Der innere dagegen muss diesen Stromsollwert mit seiner beschränkten 
Stellgröße (verm. Tastgrad der PWM) realisieren --> Anti-Windup 
notwendig.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Dan Kübel schrieb:
> Der Strom durch die Spule muss mit einem Anti Wind Up begrenzt werden,
> da der Steller keinen beliebig hohen Strom kann. Der Stromregelkreis
> ist hierbei der innere Regelkreis.

Das verstehe ich nicht. Dann wäre ja beim inneren Regelkreis die Regel-
und die Stellgröße beidesmal der Spulenstrom. Bist du sicher, dass die
Stellgröße nicht die Spannung ist (bzw. das PWM-Tastverhältnis eines
Spannungssignals, was auf dasselbe hinausläuft)?

Dann würdest du im inneren Regler als Anti-Windup-Maßnahme die Spannung
und nicht den Strom begrenzen. Da aber nicht nur die Spannung, sondern
auch der Strom endlich sind, ist es durchaus ratsam, im äußeren Regel-
kreis den Strom zu begrenzen.

[Dan M. (luizaranha)]

Also ich würd sagen,

dass mein Stellsignal eine Spannung ist (PWM), die einen Spulenstrom zur 
Folge hat...

d.h. Der Stromregler bekommt eine Stromdifferenz rein und gibt ein 
PWM-Spannungssignal aus, Aus diesem PWM-Spannungssignal wird dann der 
Spulenstrom "gemacht".

D.h. Muss ich jetzt im äußeren RK ein Anti Windup durchführen?

Meine Meinung wäre immer noch, dass durch ANti WIndup des inneren RKs 
der äußere RK ja irgendwie auch begrenzt wird?

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Dan Kübel schrieb:
> Also ich würd sagen,
>
> dass mein Stellsignal eine Spannung ist (PWM), die einen Spulenstrom zur
> Folge hat...

Ja, so ergibt das einen Sinn. Aber wieso "würdest" du sagen? Ich dachte,
du hättest an der Entwicklung teilgenommen.

> d.h. Der Stromregler bekommt eine Stromdifferenz rein

Wahrscheinlich eher einen Absolutwert.

> D.h. Muss ich jetzt im äußeren RK ein Anti Windup durchführen?
>
> Meine Meinung wäre immer noch, dass durch ANti WIndup des inneren RKs
> der äußere RK ja irgendwie auch begrenzt wird?

Ich sag mal so: Der Anti-Windup kann nur nützen aber nicht schaden, wenn
man einmal von dem etwas höheren Schaltungsaufwand absieht. Findet kein
Windup statt, verhält sich der Anti-Windup neutral, andernfalls verbes-
sert er die Regeleigenschaften.

Bei dieser speziellen Anwendung ist es allerdings so, dass wenn der
Anti-Windup in Aktion tritt, d.h. wenn der Spulentreiber schon in die
Strom- oder Spannungbegrenzung gelaufen ist, die Spule die fallende
Kugel nicht wieder einfangen kann und das Spiel damit sowieso verloren
ist, ob mit oder ohne Anti-Windup.

Insofern kannst du eigentlich ohne Nachteile die Anti-Windups in beiden
Regelkreisen weglassen.

Die Schwebende-Kugel-Anwendungen stellt insofern eine Besonderheit dar,
dass ein zu großer Regelfehler zur Katastrophe führt, während bei vielen
anderen Anwendungen ein beliebig großer Regelfehler nach Wegfall des
Störsignals ausgeregelt werden kann. Genau dieses Ausregeln wird durch
den Anti-Windup verbessert, indem hässliche Überschwinger beseitigt
werden.