DE102007018805A1 - Controller for controlling smooth running process of reciprocating piston engine, determines cyclic control deviation, where determined deviation is processed to correcting variable by algorithm with periodically integrating characteristics - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Regler zur Regelung zyklischer Prozesse, z. B. zur Regelung der Drehzahl und der Laufruhe eines Hubkolbenverbrennungsmotors.The The invention relates to a controller for controlling cyclic processes, z. B. to control the speed and smoothness of a Hubkolbenverbrennungsmotors.
Aus
dem Stand der Technik gemäß der
Darstellung der Motordrehzahl:Representation of the engine speed:
- a) Zur frequenzselektiven Darstellung der Motordrehzahl wird eine Fourierreihe mit Z-1 Summanden an, bn, benutzt, wobei n = 1, 2 .... Z ist, wobei Z die Anzahl der Zylinder des Motors darstellt. Hierbei wird für jeden Summanden der Reihendarstellung ein Einzelbeitrag zur Regelabweichung mittels eines vorbestimmten Wertes k = kn berechnet. Die Kenntnis von k stammt aus einer Voruntersuchung und ist vorzugsweise derjenige Wert, bei dem die maximale Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders ermittelt wird, der als nächster zünden wird. Hierbei wird eine Gesamtregelabweichung aus den Einzelbeiträgen gebildet. Die Einzelwerte für k sind so zu wählen, dass ein bestimmter Nockenwellenwinkel betrachtet wird, um eine Kette zwischen Ursache und Wirkung bei der Regelung realisieren zu können.a) For the frequency-selective representation of the engine speed, a Fourier series with Z-1 summands a n , b n , is used, where n = 1, 2 .... Z, where Z represents the number of cylinders of the engine. In this case, for each addend of the series representation, an individual contribution to the control deviation is calculated by means of a predetermined value k = k n . The knowledge of k comes from a preliminary investigation and is preferably that value at which the maximum expression of the effect of the last ignition of the cylinder which will ignite next is determined. In this case, an overall deviation from the individual contributions is formed. The individual values for k are to be selected so that a specific camshaft angle is considered in order to be able to realize a chain between cause and effect in the control.
Bei dieser Regelung sind vom Grundsatz her zwei Regler vorgesehen; der erste Regler regelt die Drehzahl. Allerdings ist dieser erste Regler nicht in der Lage, die dazugehörigen Schwingungen auszuregeln. Hierzu ist ein zweiter Regler vorgesehen, der bei der Drehzahl die Schwingungen ausregelt, zu der der erste Regler nicht in der Lage ist. Umgekehrt gilt, dass der zweite Regler aus dem Stand der Technik nicht in der Lage ist, die Drehzahl zu regeln, für die der erste Regler zuständig ist.at This regulation is basically two controllers; of the first controller regulates the speed. However, this is the first controller unable to correct the associated vibrations. For this a second regulator is provided which at the speed of the vibrations which the first controller is unable to control. Vice versa is true that the second controller from the prior art is not in is able to regulate the speed for which the first Controller is responsible.
Das
heißt, der Regler aus dem Stand der Technik ist in der
Lage Störungen in Form von Schwingungen zu extrahieren,
und diese Schwingungen auszuregeln. Der Regelkreis ist aus
Aus
der Darstellung gemäß
Das heißt, die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Regler zu konzipieren, der für beliebige zyklische Prozesse einsetzbar ist.The that is, the object underlying the invention is in designing a controller for any cyclic Processes can be used.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zyklische Regelabweichung ermittelt wird, wobei zur Ermittlung der zyklischen Regelabweichung der Mittelwert der tatsächlichen Regelabweichung einer Periodendauer zu mindestens einer Phasen-verschobenen Grund- und/oder Oberwelle der tatsächlichen Regelabweichung addiert wird, wobei die so ermittelte zyklische Regelabweichung durch einen Algorithmus mit periodisch integrierendem Verhalten weiter zu der Stellgröße des Reglers verarbeitet wird. Ein solcher Regler ist in der Lage, einen Prozess stationär genau zu regeln, und zwar sowohl in Bezug auf das Führungsverhalten als auch auf das Störungsverhalten bei periodischen Führungs- bzw. Störgrößen.The The object is achieved according to the invention that a cyclic control deviation is determined, wherein the determination the cyclical deviation of the mean of the actual Control deviation of one period to at least one phase-shifted Basic and / or harmonic of the actual control deviation is added, with the thus determined cyclic control deviation through an algorithm with periodically integrating behavior further processed to the manipulated variable of the controller becomes. Such a controller is capable of a process stationary to regulate exactly, both in terms of leadership behavior as well as the disturbance behavior in periodic management or disturbance variables.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird der Mittelwert der tatsächlichen Regelabweichung mit einem Wichtungsfaktor g0 multipliziert, wobei g0 ≥ 0 ist. Hierdurch wird erreicht, dass im Regelkreis das Einschwingverhalten des Mittelwertes unabhängig von den übrigen Frequenzen eingestellt werden kann. Die Verstärkung für das Übertragungsverhalten des Mittelwerts im geschlossenen Regelkreis ist damit gezielt und separat einstellbar.According to a special feature of the invention, the mean value of the actual control deviation is multiplied by a weighting factor g 0 , where g 0 ≥ 0. This ensures that the transient response of the mean value can be set independently of the other frequencies in the control loop. The gain for the transmission behavior of the mean value in the closed loop is thus specifically and separately adjustable.
Weiterhin sind die Grund- und/oder Oberwellen mit N-frequenzselektiven Wichtungsfraktoren gn ≥ 0 zu multiplizieren [n = 1 bis N]. Hierdurch kann die Verstärkung einer bestimmten Frequenz separat eingestellt werden.Furthermore, the fundamental and / or harmonics are to be multiplied by N-frequency-selective weighting factors g n ≥ 0 [n = 1 to N]. This allows the gain of a specific frequency to be set separately.
In Bezug auf die Wichtungsfaktoren g0 bis gN ergibt sich somit, dass der Regler als Filter für bestimmte Frequenzen fungieren kann. Ein solcher Regler kann somit als Sperrfilter oder auch als Durchlassfilter eingesetzt werden.With regard to the weighting factors g 0 to g N, it follows that the controller acts as a filter for certain Frequencies can act. Such a controller can thus be used as a blocking filter or as a pass filter.
Vorteilhafte Merkmale und Varianten zu der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Features and variants of the invention are the subclaims refer to.
So ist insbesondere vorgesehen, dass die zyklische Regelabweichung durch einen Algorithmus mit periodisch integrierendem Verhalten und proportional und/oder differenzierendem oder nichtlinearem Verhalten weiter zu der Stellgröße des Reglers verarbeitet wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Regler insgesamt schneller wird, d. h. sich schneller auf den Sollwert einregelt und auch Störungen schneller ausregelt.So is provided in particular that the cyclic control deviation through an algorithm with periodically integrating behavior and proportional and / or differentiating or nonlinear behavior further processed to the manipulated variable of the controller becomes. This ensures that the controller is faster overall is, d. H. settles faster to the setpoint and also disturbances adjusted faster.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Regler einen parallelen Zweig aufweist, der die Regelabweichung proportional und/oder differenzierend oder nichtlinear zu einem Wert verarbeitet, der zu der Stellgröße des Reglers addiert wird. Zusätzlich zum parallelen Zweig kann die proportionale und/oder differenzierende Verarbeitung der zyklischen Regelabweichung erfolgen.To Another feature of the invention is that the controller has a parallel branch, which is proportional to the deviation and / or differentially or non-linearly processed to a value, which is added to the manipulated variable of the controller. In addition to the parallel branch, the proportional and / or differentiating processing of the cyclic control deviation take place.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die zyklische Regelabweichung durch die Diskrete Fouriertransformation und die Inverse Diskrete Fouriertransformation aus der tatsächlichen Regelabweichung gewonnen wird. Hierbei werden aus den vorhandenen Signalen einzelne relevante Frequenzen selektiv ermittelt und gezielt einzelne Frequenzen ein- oder ausgeregelt. Das heißt, hierdurch werden die relevanten Frequenzanteile extrahiert. Diese gezielte Regelung ist dadurch möglich, dass bei der Inversen Diskreten Fouriertransformation eine frequenzselektive Phasenverschiebung ϕn stattfindet.According to a further feature of the invention, it is provided that the cyclic control deviation is obtained by the discrete Fourier transformation and the inverse discrete Fourier transformation from the actual control deviation. In the process, individual relevant frequencies are selectively determined from the available signals and individual frequencies are selectively adjusted or regulated. That is, this extracts the relevant frequency components. This targeted control is possible because in the inverse discrete Fourier transformation a frequency-selective phase shift φ n takes place.
Vorteilhaft wird für den Regler die zeitliche Periodendauer des zu regelnden Prozesses vorgegeben, wobei im diskreten Fall die Periodendauer dem ganzzahligen Vielfachen von R der Abtastperiode entspricht. D. h. hierdurch kann der Regler auf jede beliebige Periodendauer eingestellt werden, da das ganzzahlige Vielfache sich als Parameter der Regelung darstellt. Die zeitliche Periodendauer ist variabel, wenn der Prozess in Bezug auf eine Zustandsgröße sich zyklisch verhält. D. h. hiermit sind auch Prozesse regelbar, bei dem die Zyklizität nicht auf die Zeit, sondern auf eine Zustandsgröße, z. B. den Drehwinkel einer Arbeitskraftmaschine bezogen wird.Advantageous is the time period of the controller for the controller predetermined process, where in the discrete case, the period corresponds to the integer multiple of R of the sampling period. D. H. This allows the controller to be set to any period because the integer multiple is considered a parameter of the scheme represents. The temporal period is variable when the process in relation to a state variable, cyclically behaves. Ie. Hereby, processes can also be regulated the cyclicity is not on time, but on one State variable, e.g. B. related to the rotation angle of a working machine becomes.
Dieser Algorithmus wird hierbei durch eine lineare oder nichtlineare Differenzengleichung im Zeitbereich diskret darstellt, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, diesen Algorithmus als digitalen Regler in z. B. einem Mikroprozessor zu implementieren.This Algorithm is characterized by a linear or non-linear difference equation discrete in the time domain, eliminating the possibility is created, this algorithm as a digital controller in z. B. to implement a microprocessor.
Im Fall einer linearen Ausführung des Reglers kann der diskrete Algorithmus durch eine diskrete Übertragungsfunktion dargestellt werden, die man als Z-Transformation der Differenzengleichung erhält, wobei durch die Beziehung zwischen Z-Transformation und Laplace-Transformation auch eine kontinuierliche Darstellung möglich ist.in the Case of a linear execution of the regulator may be the discrete one Algorithm represented by a discrete transfer function which you get as a Z transformation of the difference equation, where by the relationship between Z-transformation and Laplace transformation also a continuous representation is possible.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Phasenverschiebung der einer bestimmten Frequenz zugehörige Phasenwinkel ϕn n = 1, 2 .... N < R/2 dem Phasengang der Regelstrecke gleichgesetzt wird, wodurch eine einfache Vorschrift zur Auslegung der Phasenwinkel ϕn gegeben ist. Hierbei wurde herausgefunden, dass das Regelverhalten dennoch stabil ist, auch wenn der Phasenwinkel nicht genau dem Phasengang entspricht.According to a further feature of the invention, it is provided that for determining the phase shift of a specific frequency associated phase angle φ n n = 1, 2 .... N <R / 2 is equated to the phase response of the controlled system, creating a simple rule for the interpretation Phase angle φ n is given. It was found that the control behavior is nevertheless stable, even if the phase angle does not correspond exactly to the phase response.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der parallele Zweig Kpar PD-Verhalten besitzt und dass der periodisch integrierende Teil sich linear verhält.Furthermore, it is provided that the parallel branch K par has PD behavior and that the periodically integrating part behaves linearly.
Dadurch wird erreicht, dass abgesehen von den Parametern ϕn, die wie oben beschrieben ausgelegt werden, auch die übrigen drei Parameter Kp, Kd und Ki so ausgelegt werden, als würde man einen üblichen PID-Regler auslegen wollen.This ensures that apart from the parameters φ n , which are designed as described above, the other three parameters Kp, K d and K i are designed as if you want to interpret a conventional PID controller.
Anhand der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung näher erläutert.Based The following description will make the invention more apparent explained.
Wie
die
Der Algorithmus zur Berechnung des zyklischen Stellgrößenanteils uzyk extrahiert frequenzselektiv Informationen aus der zurückliegenden Periode vom aktuellen Zeitpunkt aus gemessen, und stellt den Schlüssel zur stationär genauen Regelung zyklischer Prozesse dar.The algorithm for calculating the cyclic manipulated variable component u zyk extracts frequency-selective In from the current period and provides the key to the steady-state control of cyclical processes.
Der Algorithmus zur Berechnung des parallelen Stellgrößenanteils upar dient zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens und ggf. zur Stabilisierung des Regelkreises.The algorithm for calculating the parallel manipulated variable component u par is used to improve the dynamic behavior and possibly to stabilize the control loop.
Wie
aus
Die Funktion Fo verarbeitet die tatsächliche Regelabweichung e zur zyklischen Regelabweichung eo. Dazu führt sie nacheinander zwei Transformationen der Regelabweichung aus dem zurückliegenden, eine Periodendauer Tp = RT (T: Abtastperiode im diskreten Fall) breiten Zeitintervall durch, wobei zunächst eine Diskrete Fouriertransformation und anschließend eine Inverse Diskrete Fouriertransformation durchgeführt wird. Bei der Inversen Diskreten Fouriertransformation findet eine frequenzselektive Phasenverschiebung Φn sowie eine frequenzselektive Wichtung durch die Faktoren g0, gn statt , wobei n = 1, 2, ..., N ist. D. h, eine Schwingung sin(nω0t) als Bestandteil der tatsächlichen Regelabweichung e wird zu dem Bestandteil sin(nω0t- Φn) der zyklischen Regelabweichung eo. Diese Transformationskette stellt eine lineare Verarbeitung der Regelabweichung dar und wird im Fall einer diskreten Regelung im Zeitbereich durch eine Differenzengleichung oder mittels Z-Transformation der Differenzengleichung durch eine Übertragungsfunktion im Frequenzbereich repräsentiert: The function F o processes the actual control deviation e for the cyclical control deviation e o . For this purpose, it successively performs two transformations of the control deviation from the past, a period Tp = RT (T: sampling period in the discrete case) wide time interval, wherein first a discrete Fourier transform and then an inverse discrete Fourier transform is performed. In the inverse discrete Fourier transformation, a frequency-selective phase shift Φn and a frequency-selective weighting by the factors g 0 , g n , where n = 1, 2, ..., N is. That is, a vibration sin (nω 0 t) as a component of the actual control deviation e becomes the component sin (nω 0 t-Φn) of the cyclic control deviation e o . This transformation chain represents a linear processing of the control deviation and, in the case of a discrete control in the time domain, is represented by a difference equation or by Z transformation of the difference equation by a transfer function in the frequency domain:
Eo(z) ist die Z-Transformierte der zyklischen Regelabweichung; E(z) ist die Z-Transformierte der tatsächlichen Regelabweichung.E o (z) is the Z-transform of the cyclic control deviation; E (z) is the Z-transform of the actual control deviation.
Die Funktion Io führt eine periodische Integration der zyklischen Regelabweichung durch. Sie kann linear oder nichtlinear ausgeführt sein. Im linearen diskreten Fall kann die folgende Übertragungsfunktion für die periodische Integartion angegeben werden: The function I o carries out a periodic integration of the cyclic control deviation. It can be linear or non-linear. In the linear discrete case, the following transfer function for periodic integration can be given:
T ist die Abtastperiode, das Produkt RT ist die Periodendauer TP des Prozesses, KI ist die Verstärkung (Kehrwert der Integrationszeitkonstante) des linearen periodischen Integrators Ko.T is the sampling period, the product RT is the period T P of the process, K I is the gain (inverse of the integration time constant) of the linear periodic integrator K o .
Kpar und Ko par sind nichtlineare Funktionen oder lineare Funktionen und verarbeiten die tatsächliche Regelabweichung bzw. die zyklische Regelabweichung. Sie dienen ggf. zum stabilisieren und/oder zum Verbessern des dynamischen Verhaltens des Regelkreises.K par and K o par are non-linear functions or linear functions and process the actual control deviation or the cyclic control deviation. They may serve to stabilize and / or improve the dynamic behavior of the control loop.
Der
ZykloRegler wird entsprechend der allgemeinen Regelungstheorie eingesetzt,
so dass sich der geschlossene Kreis wie in
Dabei gilt:
- W: Sollwert (Führungsgröße), Y: Istwert (Regelgröße), E: Regelabweichung, U: Stellgröße, D: Störung.
- W: setpoint (command value), Y: actual value (controlled variable), E: control deviation, U: manipulated variable, D: fault.
In der Regel werden in praktischen Anwendungen Mikrocontroller zur Implementierung von Steuerungen und Regelungen eingesetzt, so dass die diskrete Darstellung des Regelungsverfahrens von größerer Bedeutung ist als die kontinuierliche Darstellung. Der ZykloRegler kann jedoch auch als kontinuierlicher Regler dargestellt werden. Führt man den ZykloRegler z. B. linear aus, so kann aus der diskreten Übertragungsfunktion des Reglers durch die Beziehung „z = e(Ts )" zwischen Laplace-Transformation und Z-Transformation eine kontinuierliche Darstellung aus der diskreten Darstellung abgeleitet werden.As a rule, microcontrollers are used in practical applications for implementing controls and regulations, so that the discrete representation of the control method is of greater importance than the continuous display. However, the cyclo controller can also be displayed as a continuous controller. If you execute the cyclo controller z. For example, if it is linear, a continuous representation can be deduced from the discrete representation of the controller's discrete transfer function by the relationship "z = e (Ts ) " between Laplace transform and Z transformation.
Bei Einsatz an zeitvarianten und/oder nichtlinearen Regelstrecken können freien Parameter des ZykloRegler während des Betriebs durch entsprechende Adaptionsverfahren an das sich ändernde Verhalten der Regelstrecke angepasst werden. In Motorsteuergeräten beispielsweise, können die Parameter des ZykloRegler durch Kennfelder oder Kennräume oder durch Modelle oder durch andere geeignete Adaptionsverfahren abhängig von relevanten Zustandsgrößen des Motors an den jeweiligen Betriebszustand adaptiert werden.When used on time-variant and / or non-linear controlled systems, free parameters of the cyclo-controller can be adapted to the changing behavior of the controller during operation by means of appropriate adaptation methods Controlled system can be adjusted. In engine control units, for example, the parameters of the cyclo-controller can be adapted to the respective operating state by characteristic maps or characteristics or by models or by other suitable adaptation methods depending on relevant state variables of the engine.
Ist die Zyklizität oder Periodizität nicht bezüglich der Zeit, sondern bezüglich einer Zustandsgröße x(t) gegeben, so ist die zeitliche Periodendauer variabel und verhält sich umgekehrt proportional zur zeitlichen Ableitung der Zustandsgröße x(t). Zum Beispiel verlaufen die innermotorischen Prozessgrößen eines Hubkolbenmotors zyklisch (bzw. bei konstanter Last/Drehzahl periodisch) bezüglich der Zustandsgröße „Nockenwellendrehwinkel".is the cyclicity or periodicity is not re time, but with respect to a state quantity Given x (t), the time period is variable and behaves inversely proportional to the time derivative of the state variable x (t). For example, the internal engine process variables run a reciprocating motor cyclically (or at constant load / speed Periodic) with respect to the state variable "camshaft rotation angle".
Der ZykloRegler wird dann derart eingesetzt, dass er die bezüglich der Zustandsgröße x(t) periodischen oder zyklischen Verläufe stationär genau (auf Führungs- und Störgrößen bezogen) regelt, indem die tatsächliche Regelabweichung zur Weiterverarbeitung zur zyklischen Regelabweichung über dieser Zustandsgröße x(t) dargestellt wird, wobei dann die Abtastung der Regelabweichung äquidistant über x(t) und nicht zeitäquidistant durchgeführt wird. Die Abtastperiode T sowie die Periodendauer Tp des Prozesses sind dann variabel und verhalten sich umgekehrt proportional zur zeitlichen Ableitung der Zustandsgröße.Of the ZykloRegler is then used in such a way that he with respect the state variable x (t) is periodic or cyclic Steady-state courses (at management level) and disturbances) by the actual control deviation for further processing to the cyclic control deviation over this state variable x (t) is shown, in which case the sampling of the control deviation is equidistant over x (t) and not time equidistant. The sampling period T and the period Tp of the process are then variable and behave inversely proportional to temporal Derivation of the state variable.
In der Funktion Fo sind als freie Parameter die frequenzselektiven Phasenverschiebungen Φn sowie die frequenzselektiven Wichtungsfaktoren g0, gn (n = 1, 2, ..., N) enthalten.In the function F o , the frequency-selective phase shifts Φn and the frequency-selective weighting factors g 0 , g n (n = 1, 2,..., N) are contained as free parameters.
Zur Auslegung der Parameter Φn kann eine einfache Vorschrift angegeben werden, die zu einer robusten Auslegung des Reglers führt: Man entnimmt die Phasenverschiebungen Φn, wobei Φn die zur Frequenz n/Tp zugehörige Phasenverschiebung ist, dem Phasengang ΦG = arg(G(jω)) der Regelstrecke G, d. h. Φn = arg(G(j2πn/Tp)).For the interpretation of the parameters Φn a simple rule can be given, which leads to a robust design of the controller: one takes the phase shifts Φn, where Φn is the phase shift associated with the frequency n / Tp, the phase response Φ G = arg (G (jω) ) of the controlled system G, ie Φn = arg (G (j2πn / Tp)).
Die Wichtungsfaktoren g0, gn können zunächst zu Eins gesetzt werden und nach Auslegung der übrigen Parameter der Regelung zur weiteren Optimierung des Verhaltens des geschlossenen Kreises variiert, d. h. von Eins verschieden werden.The weighting factors g 0 , g n can first be set to one and varied according to the design of the other parameters of the control for further optimization of the behavior of the closed circuit, that is, different from one.
Die Parameter von Kpar kann man so auslegen, als würde man mit einem Regler ohne zyklischen Zweig regeln wollen. Z. B. kann man Kpar als PD-Regler auslegen und anschließend den zyklischen Zweig dazuschalten.The Parameters of Kpar can be interpreted as if one would want to control with a controller without a cyclic branch. For example, can you can interpret Kpar as a PD controller and then the cyclic one Switch branch on.
Zur
beispielhaften Auslegung eines linearen ZykloRegler mit PD-Verhalten
im parallelen Zweig Kpar („Zyklischer PID-Regler”)
gilt folgendes:
Kpar wird als PD-Regler ausgeführt
und Io linear mit konstanter Verstärkung
KI.For the exemplary design of a linear cyclo-regulator with PD behavior in the parallel branch Kpar ("cyclic PID controller"), the following applies:
Kpar is executed as a PD controller and I o linear with constant gain K I.
Man hat dann also zusätzlich zu den Phasenverschiebungen Φn und den Wichtungsfaktoren g0, gn, die wie oben beschrieben ausgelegt werden, drei Verstärkungsparameter KP, KD, KI: zwei für den parallelen PD-Zweig und einen für den periodischen Integrator. Die diskrete Übertragungsfunktion des ZykloRegler lautet in diesem Fall: Thus, in addition to the phase shifts φn and the weighting factors g 0 , g n , which are designed as described above, one then has three gain parameters K P , K D , K I : two for the parallel PD branch and one for the periodic integrator. The discrete transfer function of the cyclo controller in this case is:
Man legt nun einen üblichen PID-Regler aus, um diese drei Parameter KP, KD, KI zu bestimmen.Now put a usual PID controller to determine these three parameters K P , K D , K I.
Im folgenden wird der ZykloRegler anhand eines Beispiels diskutiert, wobei eine lineare Variante des ZykloRegler mit Proportionalverhalten im parallelen Zweig Kpar und ohne Ko par eingesetzt wird. Dies entspricht der obigen Ausführung, wobei jedoch KD = 0 ist. Das heißt, der ZykloRegler besitzt hier zusätzlich zu den Phasenverschiebungen Φn und den Wichtungsfaktoren g0, gn zwei Parameter KP, KI.In the following, the cyclo-controller will be discussed by means of an example, whereby a linear variant of the cyclo-controller with proportional behavior in the parallel branch Kpar and without K o par is used. This corresponds to the above embodiment but with K D = 0. That is, the cyclo controller has here in addition to the phase shifts Φn and the weighting factors g 0 , g n two parameters K P , K I.
Die Übertragungsfunktion des ZykloReglers mit Kpar = KP und mit linearem periodischen Integrator sowie Ko par = 0 und g0 = gn = 1 lautet: Der Regler wird nun an einer Regelstrecke mit integrierendem Verhalten untersucht. Es wird dabei mit einem PI-Regler verglichen, wobei beide Regler dieselben Parameter KP, KI besitzen.The transfer function of the cyclo-regulator with Kpar = K P and with a linear periodic integrator as well as K o par = 0 and g 0 = g n = 1 is: The controller is now being tested on a controlled system with integrating behavior. It is compared with a PI controller, both controllers having the same parameters K P , K I.
In
In
In
Verwendet man wie im hier dargestellten Beispiel den ZykloRegler als zyklischen PI-Regler, so erhält man also einen Regler, der sich wie der PI-Regler verhält, jedoch zusätzlich in der Lage ist bestimmte Frequenzen stationär genau regeln zu können.used as in the example shown here, the cyclo-controller is cyclical PI-controller, so you get a controller that works like the PI controller behaves, but additionally in the Location is to fix certain frequencies stationary exactly can.
Im folgenden werden die wesentlichen Schritte des Verfahrens anhand der diskreten Realisierung kurz dargestellt.in the Following are the essential steps of the procedure briefly presented the discrete realization.
Zunächst werden die Reglerparameter ausgelegt, so dass sich im geschlossenen Kreis das gewünschte Verhalten ergibt. Dazu muss vom Verhalten der Regelstrecke ausgehend entschieden werden, wie die parallelen Zweige Kpar, Ko par des ZykloRegler auszuführen sind (linear oder nichtlinear) und wie der periodische Integrator Io auszuführen ist (linear oder nichtlinear). Der Parameter R wird abhängig von der Abtastperiode T so ausgelegt, dass der Regler die für den Prozess gewünschte Grundfrequenz f0 = 1/T/R und deren Vielfache stationär genau regelt.First, the controller parameters are designed so that the desired behavior results in the closed loop. For this purpose, it must be decided from the behavior of the controlled system how the parallel branches Kpar, K o par of the cyclo-controller are to be executed (linear or non-linear) and how the periodic integrator I o is to be executed (linear or non-linear). The parameter R is designed as a function of the sampling period T in such a way that the controller controls the fundamental frequency f 0 = 1 / T / R desired for the process and their multiples in a stationary manner.
Die Auslegung der freien Parameter geschieht nun entweder manuell oder mittels geeigneter Optimierungsverfahren (z. B. numerische Optimierungsverfahren wie Simplex-Verfahren oder Evolutionsstrategie-Verfahren) automatisiert direkt am Prozess oder an einem mathematischen Modell der Regelstrecke.The Design of the free parameters now happens either manually or by means of suitable optimization methods (eg numerical optimization methods as simplex method or evolution strategy method) automated directly on the process or on a mathematical model of the controlled system.
Die Schritte des Verfahrens stellen sich wie folgt dar:The Steps of the method are as follows:
1. Aktuelle Regelabweichung ermitteln und abspeichern:1. Determine current control deviation and save:
Es
werden stets die letzten R Abtastwerte [ei-R+1,
ei-R+2, ..., ei]
der Regelabweichung gespeichert. Aus dem aktuellen Abtastsatz
2. Transformation in den Frequenzbereich:2. Transformation in the frequency domain:
Der
Abtastsatz [ek]i wird
zunächst auf einer verschobenen Zeitachse = t – (i – R)·T
als [e ~k]i dargestellt mit
Damit
gilt für k = R:
Der Abtastsatz [e ~k]i wird nun über die Diskrete Fouriertransformation (oder über die Fourieranalyse) in den Frequenzbereich transformiert: The sample set [e ~ k ] i is now transformed into the frequency domain via the discrete Fourier transformation (or via the Fourier analysis):
3. Rücktransformation in den Zeitbereich:3. Back transformation into the Time range:
Die zyklische Regelabweichung e ~0(t ~) erhält man nun durch Inverse Diskrete Fouriertransformation (oder durch Fourierreihendarstellung) der Koeffizienten cn, wobei eine frequenzselektive Phasenverschiebung um den Winkel Φn stattfindet: The cyclical deviation e ~ 0 (t ~) is obtained by inverse discrete Fourier transformation (or by Fourier series representation) of the coefficients c n , whereby a frequency-selective phase shift takes place by the angle Φn:
4. Aktuelle zyklische Regelabweichung ermitteln und abspeichern:4. Current cyclic control deviation determine and save:
Die aktuelle zyklische Regelabweichung lautet The current cyclic control deviation is
5. Berechnen des zyklischen Stellgrößenanteils:5. Calculating the cyclic manipulated variable component:
- 1. Durchführen der Periodischen Integration der zyklischen Regelabweichung;1. Perform Periodic Integration the cyclical control deviation;
- 2. Verarbeiten der zyklischen Regelabweichung durch Kopar;2. processing of the cyclic control deviation by K o par;
- 3. Die Addition der Ergebnisse von 1. und 2 liefert zyklischen Stellgrößenanteil uzyk 3. The addition of the results of 1 and 2 provides cyclic manipulated variable u zyk
6. Berechnen des parallelen Stellgrößenanteils:6. Calculating the parallel manipulated variable component:
Verarbeiten der Regelabweichung mit Kpar liefert parallelen Stellgrößenanteil upar Processing the control deviation with Kpar supplies parallel manipulated variable component u par
7. Berechnen der gesamten Stellgröße und Anlegen an die Regelstrecke:7. Calculate the total manipulated variable and applying to the controlled system:
Addition von uzyk und upar liefert gesamte Stellgröße des ZykloRegler, die nun über das Stellglied an die Regelstrecke angelegt wird.Addition of u zyk and u par returns the entire manipulated variable of the cyclo controller, which is now applied to the controlled system via the actuator.
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