DE102007008096A1

DE102007008096A1 - Bestimmungsverfahren für Parameter einer parametrierbaren Regelanordnung und darauf beruhende Gegenstände

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Publication number: DE102007008096A1
Application number: DE200710008096
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ahrholdt; Ulrich Konigorski; Elmar Dr. Schäfers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: WO2008101817A8; WO2008101817A1; DE102007008096B4

Abstract

Es wird ein Modell erstellt, durch das eine Regelstrecke und eine parametrierbare Regelanordnung modelliert werden, wobei mittels der Regelstrecke die Regelstrecke geregelt werden soll. Anhand des Modells werden zunächst erwartete Pole (Z) der Regelstrecke als solche ermittelt. Sodann werden anhand des Modells Parameter der Regelanordnung derart ermittelt, dass erwartete Pole (Z') der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregelter Regelstrecke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (8) liegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für Parameter einer parametrierbaren Regelanordnung, mittels derer eine Regelstrecke geregelt werden soll.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, das Maschinencode aufweist, der von einem Rechner unmittelbar ausführbar ist und dessen Ausführung durch den Rechner bewirkt, dass der Rechner ein derartiges Bestimmungsverfahren ausführt.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Rechner, wobei der Rechner einen Speicher und eine Eingabeeinrichtung aufweist, wobei im Speicher ein Computerprogramm der obenstehend beschriebenen Art gespeichert ist, wobei dem Rechner über die Eingabeeinrichtung von einem Benutzer des Rechners ein Aufrufbefehl vorgebbar ist, wobei die Vorgabe des Aufrufbefehls den Aufruf und die Ausführung des Computerprogramms durch den Rechner bewirkt.
Derartige Betriebsverfahren, Computerprogramme und Rechner sind allgemein bekannt. Sie werden unter anderem bei der Parametrierung von Regelanordnungen eingesetzt, mittels derer Werkzeugmaschinen hochgenau gesteuert werden, meist im Mikrometerbereich. Die Regelstrecke wird meist als Achse oder als Maschinenachse bezeichnet. Sie umfasst oftmals einen lageregelbaren Elektromotor, eine steuerbare Energieversorgung für den Elektromotor und ein vom Elektromotor verstellbares Element, beispielsweise ein Portal. Die steuerbare Energieversorgung wird oftmals auch als Antrieb bezeichnet. Der Elektromotor entspricht einem Stellglied der Regelstrecke. Die Einheit von Energieversorgung, Elektromotor und verstellbarem Element entspricht einer Regelstrecke im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Die Ansteuerung des Antriebs erfolgt in der Regel mittels einer Regelanordnung, die eine Lageregelung des Elektromotors bewirkt. In Einzelfällen ist auch eine Drehzahlregelung denkbar. Die Regelanordnung ist in vielen Fällen parametrierbar. Als einfaches Beispiel einer parametrierbaren Regelanordnung sei ein PI-Regler (PI = proportional-integral) genannt. Ein derartiger Regler weist zwei Parameter auf, mittels derer seine Eigenschaften bestimmt sind, nämlich seine Proportionalverstärkung und seine Integrationszeitkonstante.
Die Parameter der Regelanordnung sollten möglichst optimal eingestellt sein. Insbesondere sollten die Eigenwerte des Regelsystems (also der Regelstrecke, wenn sie von der Regelanordnung geregelt wird) in einem vorab definierten Bereich liegen. Denn hierdurch lässt sich im Betrieb ein geringes Schwingungsverhalten der Regelstrecke erreichen, so dass die Bearbeitungsgenauigkeit und die Produktivität der Maschine gesteigert werden können.
Mit den Regelungsansätzen, die auf der in der Antriebstechnik weit verbreiteten Kaskadenstruktur (Lageregler – unterlagerter Geschwindigkeitsregler – unterlagerter Stromregler) basieren, ist eine einfache und freie Vorgabe der Eigenwerte nicht möglich.
Mittels modellbasierter Bestimmungsverfahren für die Parameter der Regelanordnung ist eine freie Vorgabe der Regelparameter zwar prinzipiell möglich. Bei diesem Verfahren wird ein Modell erstellt, durch das die Regelstrecke und die Regelanordnung modelliert werden. Anhand des Modells werden erwartete Pole der Regelstrecke als solcher ermittelt, also die Pole, die erwartet werden, wenn die Regelstrecke von der Regelanordnung nicht geregelt wird. Anhand des Modells werden die Parameter der Regelanordnung derart ermittelt, dass erwartete Pole der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregelter Regelstrecke (also des Regelsystems) einen vorbestimmten Wert aufweisen.
Modellbasierte Bestimmungsverfahren werden in der Praxis jedoch nur selten angewendet. Die wesentlichen Gründe hierfür sind, dass der Aufwand zur Erstellung des Modells sehr hoch ist und dass eine Robustheit der Regelung nur schwer oder gar nicht gewährleistet werden kann. Insbesondere ist die Einstellung der Pole auf die vorbestimmten Werte nur möglich, wenn eine hochkomplexe Regelanordnung mit vielen einstellbaren Parametern angesetzt wird. Mit der Anzahl der einstellbaren Parameter steigen jedoch sowohl der Aufwand zur Modellierung der Regelanordnung als auch der Aufwand zur Ermittlung der Parameter der Regelanordnung weit überproportional an.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer auf relativ einfache Weise sowohl das Modell der Regelanordnung erstellt werden kann als auch die Parameter der Regelanordnung bestimmbar sind und darüber hinaus eine relativ einfache Regelanordnung verwendbar ist.
Die Aufgabe wird zunächst durch ein Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren entspricht im Ansatz der obenstehend bereits beschriebenen Vorgehensweise. Ebenso wie beim Stand der Technik wird ein Modell erstellt, durch das die Regelstrecke und die Regelanordnung modelliert werden. Anhand des Modells werden erwartete Pole der Regelstrecke als solcher ermittelt. Weiterhin werden anhand des Modells die Parameter der Regelanordnung ermittelt. Erfindungsgemäß werden die Parameter der Regelanordnung jedoch derart ermittelt, dass erwartete Pole des Regelsystems (also der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregeltem Stellglied) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind also die Werte, welche die erwarteten Pole der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregeltem Stellglied aufweisen sollen, nicht exakt vorbestimmt. Vorbestimmt ist vielmehr nur ein Bereich, innerhalb dessen die exakten Werte liegen sollen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Computerprogramm gelöst, das Maschinencode aufweist, der von einem Rechner unmittelbar ausführbar ist und dessen Ausführung durch den Rechner bewirkt, dass der Rechner ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren ausführt. Das Computerprogramm kann hierbei auf einem Datenträger gespeichert sein.
Schließlich wird die Aufgabe durch einen Rechner gelöst, der einen Speicher und eine Eingabeeinrichtung aufweist, wobei im Speicher ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist, wobei dem Rechner über die Eingabeeinrichtung von einem Benutzer des Rechners ein Aufrufbefehl vorgebbar ist, wobei die Vorgabe des Aufrufbefehls den Aufruf und die Ausführung des Computerprogramms durch den Rechner bewirkt.
Der Bereich kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt sein. Am einfachsten ist die Bestimmung des Bereichs, wenn der Bereich in der Laplace-Ebene einer geschlossenen Fläche entspricht.
Der Bereich kann in der Laplace-Ebene durch eine verschiedene Anzahl von Größen bestimmt sein, wobei weiterhin die Größen für verschiedene physikalische Bedingungen charakteristisch sein können. Vorzugsweise ist der Bereich durch drei Größen bestimmt. Je eine der Größen kann hierbei für eine frequenzbezogene Minimaldämpfung, eine Reaktionsgeschwindigkeit der Regelanordnung und eine maximale Stellenergie eines von der Regelanordnung angesteuerten Stellgliedes der Regelanordnung charakteristisch sein.
Vorzugsweise ist der Bereich parametrierbar. In Verbindung mit der Ausgestaltung, dass je eine der Größen für eine frequenzbezogene Minimaldämpfung, eine Reaktionsgeschwindigkeit der Regelanordnung und eine maximale Stellenergie des Stellgliedes charakteristisch ist, können beispielsweise die für die maximale Stellenergie des von der Regelanordnung angesteuerten Stellgliedes charakteristische Größe fest vorgegeben sein und die für die frequenzbezogene Minimaldämpfung und die Reaktionsgeschwindigkeit charakteristischen Größen parametrierbar sein. Alternativ zu einer Parametrierbarkeit des Bereichs kann der Bereich jedoch auch fest vorgegeben sein.
Prinzipiell ist es möglich, dass ein Mensch das Bestimmungsverfahren ausführt. In aller Regel wird es jedoch von einem Rechner ausgeführt.
Wenn das Bestimmungsverfahren von einem Rechner ausgeführt wird, ist es insbesondere möglich,

– dass dem Rechner während des Regelns der Regelstrecke durch die Regelanordnung (online) mindestens ein momentaner Soll- oder Istwert der Regelstrecke zugeführt wird,
– dass der Rechner den mindestens einen momentanen Soll- oder Istwert der Regelstrecke bei der Erstellung des Modells berücksichtigt,
– dass der Rechner die erwarteten Pole der Regelstrecke als solcher und die Parameter der Regelanordnung online ermittelt und
– dass der Rechner die Regelanordnung online entsprechend den jeweils ermittelten Parametern parametriert.

Insbesondere in diesem letztgenannten Fall sollte der Rechner eine Ausgabeeinrichtung aufweisen, über die der Rechner mit der parametrierbaren Regelanordnung verbunden ist. Denn dadurch ist der Rechner in der Lage, die von ihm ermittelten Parameter an die Regelanordnung auszugeben. Die zuletzt beschriebene Ausgestaltung des Rechners ist jedoch auch dann möglich, wenn die Vorgabe der Parameter an die Regelanordnung nicht online erfolgt.
Das Modell umfasst vorzugsweise nur diejenigen Eigenschaften der Regelstrecke und der Regelanordnung, welche durch die Regelung der Regelstrecke in Bezug auf Dynamik und Dämpfung von Schwingungen beeinflusst werden sollen. In vielen Fällen ist dies nur das niederfrequente Verhalten der Regelstrecke. Um auch das hochfrequente Verhalten der Regelstrecke zu berücksichtigen, sind im Wesentlichen zwei Vorgehensweise möglich.
Zum einen ist es möglich, dass das Modell ein Filter aufweist, das zwischen einer die Regelanordnung modellierenden Modellkomponente und einer die Regelstrecke modellierenden Modellkomponente angeordnet ist. In diesem Fall kann mittels des Filters das Ausfiltern hochfrequenter Komponenten eines von der Regelanordnung auszugebenden Steuersignals modelliert werden.
Alternativ ist es möglich, das obenstehend beschriebene Bestimmungsverfahren, also ein Bestimmungsverfahren, bei dem nur das niederfrequente Verhalten der Regelstrecke modelliert wird, als Grundbestimmungsverfahren anzusehen. Das im Rahmen des Grundbestimmungsverfahrens verwendete Modell wird hierbei nachfolgend als Grundmodell bezeichnet. Bei dieser Ausgestaltung wird das Grundmodell mindestens einmal durch ein Zusatzmodell ergänzt, durch das ein hochfrequentes Verhalten der Regelstrecke modelliert wird. In diesem Fall wird überprüft, ob die erwarteten Pole der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregelter Regelstrecke auch bei Verwendung des durch das Zusatzmodell ergänzten Grundmodells innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen. Die im Rahmen des Grundbestimmungsverfahrens ermittelten Parameter werden variiert, wenn die erwarteten Pole der Regelstrecke bei von der Regelanordnung geregelter Regelstrecke bei Verwendung des durch das Zusatzmodell ergänzten Grundmodells außerhalb des vorbestimmten Bereichs liegen.
Das Variieren der Parameter der Regelanordnung kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Variieren der Parameter durch erneutes Ausführen des Grundbestimmungsverfahrens. Im Rahmen des erneuten Ausführens des Grundbestimmungsverfahrens wird hingegen der vorbestimmte Bereich eingeschränkt. Alternativ oder zusätzlich kann die Art und Weise geändert werden, auf welche die Parameter ermittelt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 eine von einer Regelanordnung geregelte Regelstrecke und ein Modell,
2 ein Ablaufdiagramm,
3 einen Ausschnitt einer Laplace-Ebene,
4 einen Rechner und eine Regelanordnung,
5 ein Ablaufdiagramm,
6 ein mögliches Modell und
7 ein Ablaufdiagramm.
Gemäß 1 weist eine – prinzipiell beliebige – Einrichtung eine Regelanordnung 1 und eine Regelstrecke 2 auf. Die Regelstrecke 2 weist ein Stellglied 3 und eine vom Stellglied 3 beeinflusste Einrichtung 4 auf. Das Stellglied 3 kann beispielsweise ein Antrieb einer Werkzeugmaschine sein, die vom Stellglied 3 beeinflusste Einrichtung 4 ein Portal der Maschine.
Mittels einer Sensoreinrichtung 5 wird ein Istwert x des Stellglieds 3 oder der vom Stellglied 3 beeinflussten Einrichtung 4 erfasst, beispielsweise die Lage oder die Verfahrgeschwindigkeit der beeinflussten Einrichtung 4. Der Istwert x wird der Regelanordnung 1 zugeführt. Der Regelanordnung 1 wird weiterhin ein Sollwert x* zugeführt. Anhand des Istwerts x und des Sollwerts x* ermittelt die Regelanordnung 1 eine Stellgröße y und steuert das Stellglied 3 entsprechend der ermittelten Stellgröße y an. Sie regelt auf diese Weise die Regelstrecke 2.
Die Regelanordnung 1 ermittelt die Stellgröße y gemäß einer Ermittlungsvorschrift. Beispielsweise kann die Regelanordnung 1 als PI-Regler ausgebildet sein. In diesem einfachen Beispiel wird einerseits die Regelabweichung (d. h. die Differenz von Sollwert x* und Istwert x) mit einer Proportionalverstärkung P verstärkt und andererseits der zeitliche Verlauf der Regelabweichung mit einer Integrationszeitkonstanten T aufintegriert. Bei der beispielhaften Ausgestaltung der Regelanordnung 1 weist die Regelanordnung 1 daher zwei Parameter P, T auf, mittels derer sie parametrierbar ist.
Das obenstehende Beispiel, gemäß dem die Regelanordnung 1 als PI-Regler ausgebildet ist, ist rein beispielhaft. Alternativ könnte die Regelanordnung 1 auch als andere Regelanordnung ausgebildet sein, beispielsweise als PID-Regler, als PT1- oder PT2-Glied, als Fuzzy-Regler usw.. Auch kann die Regelanordnung 1 je nach Ausgestaltung mehr oder weniger als zwei Parameter aufweisen. Soweit nachstehend die beiden Parameter P und T erwähnt werden, stehen diese beiden Parameter P, T daher beispielhaft für beliebige Parameter, jedoch nicht für den Istwert x und den Sollwert x*.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Regelanordnung 1 bestimmen die Parameter P, T der Regelanordnung 1 die Dynamik und die Stabilität der Regelstrecke 2. Die Parameter P, T der Regelanordnung 1 sollten daher möglichst optimal bestimmt sein. Eine derartige Bestimmung der Parameter P, T der Regelanordnung ist Ziel der vorliegenden Erfindung. Die Vorgehensweise zur Bestimmung der Parameter P, T wird nachfolgend in Verbindung mit 2 näher erläutert. Ergänzend ist hierbei 1 mit heranzuziehen.
Gemäß 2 wird in einem Schritt S1 zunächst ein Modell 6 erstellt, durch das die Regelstrecke 2 und die Regelanordnung 1 modelliert werden.
Der Schritt S1 ist an sich bekannt. Beispielsweise kann zunächst anhand eines analytischen Verfahrens ein entsprechen des mathematisch-physikalisches Modell der vom Stellglied 3 beeinflussten Einrichtung 4 erstellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Frequenzkennlinie der beeinflussten Einrichtung 4 erfasst und ausgewertet werden. Die Auswertung ergibt in diesem Fall eine Modellkomponente 7a, welche die beeinflusste Einrichtung 4 modelliert. Auch diese Vorgehensweise ist im Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß wird die Modellkomponente 7a jedoch derart erstellt, dass sie das Frequenzverhalten der beeinflussten Einrichtung 4 nur unterhalb einer Grenzfrequenz modelliert. Die Grenzfrequenz ist hierbei kleiner als eine Maximalfrequenz, bis zu der die Frequenzkennlinie erfasst wird. Beispielsweise kann bei einer mechanischen beeinflussten Einrichtung 4 ein Mehrmassenmodell erstellt werden, dessen einzelne Massen über Federn miteinander gekoppelt sind. Dadurch kann eine Modellkomponente 7a erstellt werden, welche lediglich die dominanten unteren Eigenschwingungen der beeinflussten Einrichtung 4 in Frequenz und Dämpfung modelliert.
Für das Stellglied 3 wird ebenfalls eine Modellkomponente 7b erstellt. Die Modellkomponente 7b modelliert den Einfluss des Stellgliedes 3 auf die beeinflusste Einrichtung 4. Dieser Einfluss ist meist bekannt und daher einfach modellierbar. Die Modellkomponente 7b für das Stellglied 3 ist daher ohne weiteres erstellbar. Bei einer mechanischen beeinflussten Einrichtung 4 kann die Modellkomponente 7b beispielsweise den Zusammenhang zwischen Stellweg und Stellenergie einerseits und den zeitlichen Ableitungen der Positionen der Massen des Mehrmassenmodells andererseits beschreiben.
Auch für die Regelanordnung 1 wird eine Modellkomponente 7c erstellt. Die Modellkomponente 7c wird durch ihre Reglerparameter modelliert. Je nach Umfang der Parametrierbarkeit der Regelanordnung 1 sind hierbei die Parameter P, T mit den Reglerparametern identisch oder sind Bestandteil der Reglerparameter.
In einem Schritt S2 werden anhand des Modells 6 erwartete Pole Z der Regelstrecke 2 als solcher ermittelt. In 3 sind beispielhaft einige derartiger Pole Z eingezeichnet.
Mit dem Begriff „Regelstrecke 2 als solche" ist im Rahmen des Schrittes S2 gemeint, dass das Stellglied 3 von der Regelanordnung 1 nicht angesteuert wird. Dieser Zustand kann – je nach Art des Stellgliedes 3 – bedeuten, dass der Zustand des Stellgliedes 3 fest und unveränderbar ist. Zumindest aber wird von der Regelanordnung 1 keine Stellgröße y an das Stellglied 3 ausgegeben. „Erwartet" sind die Pole Z der Regelstrecke 2 deshalb, weil sie im Rahmen des Schrittes S2 anhand des Modells 6 ermittelt werden. Je nach Grad der Übereinstimmung des Modells 6 mit der tatsächlichen, realen Regelstrecke 2 können sich daher größere oder kleinere Abweichungen der erwarteten Pole Z von tatsächlichen Polen ergeben, welche die reale Regelstrecke 2 aufweist.
In einem Schritt S3 wird ein Bereich 8 parametriert, in dem erwartete Pole Z' der Regelstrecke 2 liegen sollen, wenn die Regelstrecke 2 von der Regelanordnung 1 geregelt wird. Der Bereich 8 weist hierbei gemäß 3 in der Laplace-Ebene eine zweidimensionale Ausdehnung auf, die erheblich größer als eine Rechengenauigkeit ist, mit der die Pole Z der Regelstrecke 2 (ohne Regelung der Regelstrecke 2 durch die Regelanordnung 1) ermittelt werden.
Der Bereich 8 entspricht gemäß 3 vorzugsweise in der Laplace-Ebene einer geschlossenen Fläche. Er kann beispielsweise durch drei Größen R, a, φ bestimmt sein. Vorzugsweise ist die Größe φ für eine frequenzbezogene Minimaldämpfung charakteristisch. Der Begriff „frequenzbezogene Minimaldämpfung" bedeutet hierbei das Abklingen einer Schwingungsamplitude des Istwerts x bei konstant gehaltenem Sollwert x* während einer Periode der Schwingung. Die Größe a ist vorzugsweise für eine Reaktionsgeschwindigkeit der Regelanordnung 1 charakteristisch. Die Größe R ist für eine maximale Stellenergie des Stellgliedes 3 charakteristisch.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die für die maximale Stellenergie charakteristische Größe R fest vorgegeben. Die für die frequenzbezogene Minimaldämpfung und die Reaktionsgeschwindigkeit charakteristischen Größen φ, a sind hingegen veränderbar. Alternativ ist jedoch ebenfalls möglich, nur die für die frequenzbezogene Minimaldämpfung charakteristische Größe φ oder nur die für die Reaktionsgeschwindigkeit charakteristische Größe a veränderbar ist und die jeweils anderen Größen a, R bzw. φ, R fest vorgegeben sind. Auch ist möglich, dass alle drei Größen φ, a, R veränderbar sind. Auch ist es möglich, dass der Bereich 8 fest vorgegeben ist. In diesem letztgenannten Fall kann der Schritt S3 entfallen. Aus diesem Grund ist der Schritt S3 in 2 nur gestrichelt eingezeichnet.
Unabhängig davon, ob der Bereich 8 parametrierbar oder fest vorgegeben ist, ist der Bereich vor der Ausführung eines Schrittes S4 vorbestimmt.
Im Schritt S4 werden die Parameter P, T der Regelanordnung 1 auf Anfangswerte gesetzt. In einem Schritt S5 werden die erwarteten Pole Z' der Regelstrecke 2 ermittelt, die sich ergeben, wenn die Regelstrecke 2 von der Regelanordnung 1 geregelt wird und die Regelanordnung 1 entsprechend den zuletzt bestimmten Parametern P, T parametriert ist. Die Pole Z' sind auch hier „erwartet", weil sie anhand des Modells 6 ermittelt werden.
In einem Schritt S6 wird geprüft, ob die im Rahmen des Schrittes S5 ermittelten erwarteten Pole Z' innerhalb des vorbestimmten Bereichs 8 liegen. Wenn die erwarteten Pole Z' innerhalb des vorbestimmten Bereichs 8 liegen, ist das Bestimmungsverfahren von 2 beendet. In diesem Fall wird die Regelanordnung 1 in einem Schritt S7 anhand der zuletzt ermittelten Parameter P, T der Regelanordnung 1 parametriert. Anderenfalls werden die Parameter P, T der Regelanordnung 1 in einem Schritt S8 variiert. Das Variieren der Parameter P, T erfolgt auf eine Art und Weise, dass die erwarteten Pole Z' der von der Regelanordnung 1 geregelten Regelstrecke 2 in dem vorbestimmten Bereich 8 zu liegen kommen. Derartige Verfahren sind bekannt. Vom Schritt S8 wird zum Schritt S5 zurückgegangen.
Zum Vermeiden einer Endlosschleife kann vorgesehen sein, im Rahmen des Schrittes S8 zu überprüfen, wie oft die Parameter P, T der Regelanordnung 1 variiert wurden. Gegebenenfalls kann das Bestimmungsverfahren (ergebnislos) abgebrochen werden, wenn nach einer maximal zulässigen Anzahl von Variierungen keine gültigen Parameter P, T der Regelanordnung 1 ermittelt werden konnten.
Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren wird vorzugsweise von einem Rechner 9 ausgeführt. Der Rechner 9 weist hierfür gemäß 4 zumindest einen Prozessor 10, einen Speicher 11, eine Eingabeeinrichtung 12 und eine Ausgabeeinrichtung 13 auf.
Der Speicher 11 entspricht einem Datenträger im Sinne der vorliegenden Erfindung. In dem Speicher 11 ist ein Computerprogramm 14 gespeichert. Das Computerprogramm 14 weist Maschinencode 15 auf, der vom Rechner 9 (genauer: vom Prozessor 10 des Rechners 9) unmittelbar ausführbar ist.
Über die Eingabeeinrichtung 12 (die beispielsweise eine Tastatur und/oder eine Cursorsteuerung umfassen kann) ist ein Benutzer 16 des Rechners 9 in der Lage, dem Rechner 9 einen Aufrufbefehl A für das Computerprogramm 14 vorzugeben. Wenn dem Rechner 9 der Aufrufbefehl A vorgegeben wird, ruft der Rechner 9 das Computerprogramm 14 auf und führt es aus. Die Ausführung des Computerprogramms 14 durch den Rechner 9 bewirkt, dass der Rechner 9 das obenstehend beschriebene Bestimmungsverfahren ausführt.
Der Rechner 9 gibt die von ihm ermittelten Parameter P, T der Regelanordnung 1 aus. Prinzipiell ist es möglich, dass der Rechner 9 die Parameter P, T an den Benutzer 16 ausgibt. In diesem Fall parametriert der Benutzer 16 selbst die Regelanordnung 1. Vorzugsweise jedoch ist der Rechner 9 gemäß 4 über die Ausgabeeinrichtung 13 mit der parametrierbaren Regelanordnung 1 verbunden. Denn dadurch ist es möglich, dass der Rechner 9 die von ihm ermittelten Parameter P, T direkt und selbsttätig an die Regelanordnung 1 ausgibt.
Wenn das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren von dem Rechner 9 ausgeführt wird und der Rechner 9 die von ihm ermittelten Parameter P, T der Regelanordnung 1 direkt und selbsttätig an die Regelanordnung 1 ausgibt, ist insbesondere eine Vorgehensweise möglich, die nachfolgend in Verbindung mit 5 näher erläutert wird.
Gemäß 5 führt die Regelanordnung 1 in einer Endlosschleife ein Regelverfahren aus, das Schritte S11 und S12 umfasst. Im Schritt S11 nimmt die Regelanordnung 1 den momentanen Sollwert x* und – von der Sensoreinrichtung 5 – den momentanen Istwert x entgegen. Im Schritt S12 ermittelt die Regelanordnung 1 entsprechend ihrer aktuellen Parametrierung die Stellgröße y und gibt die Stellgröße y an das Stellglied 3 aus.
Während des Regelns der Regelstrecke 2 durch die Regelanordnung 1, also parallel zur Ausführung der Schritte S11 und S12 durch die Regelanordnung 1 und damit online, wird dem Rechner 9 in einem Schritt S21 mindestens ein momentaner Sollwert oder Istwert der Regelstrecke 2 zugeführt. Der Sollwert bzw. der Istwert kann hierbei derselbe Sollwert x* bzw. derselbe Istwert x sein, welcher der Regelanordnung 1 zugeführt wird. Alternativ kann es sich um einen anderen Wert handeln. Wenn beispielsweise das Stellglied 3 ein Antrieb ist, mittels dessen als beeinflusste Einrichtung 4 ein Portal in einer Horizontalrichtung verfahren wird, das Portal eine horizontale Traverse aufweist, die orthogonal zur Verfahrrichtung des Portals orientiert ist, und auf der Traverse ein Element angeordnet ist, dessen Lage variierbar ist, kann der dem Rechner 9 zugeführte Soll- bzw. Istwert beispielsweise mit der Soll- bzw. Istlage des bezüglich der Traverse verfahrbaren Elements korrespondieren. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
In einem Schritt S22 erstellt der Rechner 9 das Modell 6. Im Unterschied zum Schritt S1 von 2 berücksichtigt der Rechner 9 hierbei den ihm zugeführten momentanen Soll- bzw. Istwert der Regelstrecke 2 bei der Erstellung des Modells 6. Beispielsweise kann das Modell 6 in einer Grobstrukturierung vorbestimmt sein, jedoch seinerseits parametrierbar sein. In diesem Fall erfolgt die Bestimmung der Parameter des Modells 6 in Abhängigkeit von dem zugeführten Soll- bzw. Istwert.
Auf den Schritt S22 folgen Schritte S23 bis S28. Die Schritte S23 bis S28 entsprechen den Schritten S2 und S4 bis S8 von 2.
Analog zu der möglichen Vorgehensweise von 2 kann der Bereich 8 fest vorgegeben sein. Alternativ ist es möglich, dass der Bereich 8 parametrierbar ist. Wenn der Bereich 8 parametrierbar ist, ist ein Schritt S29 vorhanden, der inhaltlich dem Schritt S3 von 2 entspricht. Der Schritt S29 wird bei der Ausgestaltung gemäß 5 jedoch vor dem Schritt S21 ausgeführt.
Wenn der Bereich 8 parametrierbar ist, ist es möglich, dass nur eine einmalige Vorgabe (im Schritt S29) möglich ist. Alternativ kann der Bereich 8 interaktiv veränderbar sein. Im letztgenannten Fall ist ein Schritt S30 vorhanden, der vorzugsweise zwischen den Schritten S22 und S23 ausgeführt wird. Im Schritt S30 prüft der Rechner 9, ob ihm vom Benutzer 16 geänderte Größen φ, a, R für den Bereich 8 vorgegeben worden sind. Wenn dies der Fall ist, passt er den Bereich 8 in einem Schritt S31 entsprechend an.
Mittels der Vorgehensweise gemäß 5 wird erreicht, dass der Rechner 9 die erwarteten Pole Z der Regelstrecke 2 als solcher und die Parameter P, T der Regelanordnung 1 online ermittelt und die Regelanordnung 1 online entsprechend den jeweils ermittelten Parametern P, T parametriert.
Wie obenstehend bereits erwähnt, wird mittels des Modells 6 vorzugsweise nur das niederfrequente Verhalten der Regelstrecke 2 modelliert. Um auch das höherfrequente Verhalten der Regelstrecke 2 zu berücksichtigen, sind zwei alternative Vorgehensweisen möglich. Diese beiden alternativen Vorgehensweisen werden nachfolgend in Verbindung mit 6 bzw. 7 näher erläutert.
Gemäß 6 wird das Modell 6 durch eine zusätzliche Modellkomponente 7d ergänzt. Die Modellkomponente 7d ist zwischen den Modellkomponenten 7c für die Regelanordnung 1 und 7b für das Stellglied 3 angeordnet. Mittels der zusätzlichen Modellkomponente 7d wird ein Filter modelliert, mittels dessen das Ausfiltern hochfrequenter Komponenten der Stellgröße y modelliert wird.
Die Parameter des Filters können fest vorgegeben sein. Alternativ können sie veränderbar sein. Insbesondere kann eine Grenzfrequenz, ab der das Filter die Stellgröße y im Wesentlichen unterdrückt, parametrierbar sein.
Alternativ zu der Ausgestaltung von 6 ist es gemäß 7 möglich, in einem Schritt S41 zunächst das Modell 6 zu erstellen, wobei das Modell 6 nur die Modellkomponenten 7a, 7b und 7c enthält, also nicht auch die Modellkomponente 7d für das Filter. Mittels des Modells 6 wird daher nur das niederfrequente Verhalten der Regelstrecke 2 modelliert. Der Schritt S41 entspricht somit im Wesentlichen dem Schritt S1 von 2. Das im Rahmen des Schrittes S41 ermittelte Modell 6 wird nachfolgend als Grundmodell bezeichnet.
An den Schritt S41 schließen sich Schritte S42 bis S47 an. Die Schritte S42 bis S47 korrespondieren mit den Schritten S2 bis S6 und S8 von 2.
In einem Schritt S48 wird das im Schritt S41 ermittelte Grundmodell 6 durch ein Zusatzmodell 17 zu einem Gesamtmodell 18 ergänzt. Durch das Zusatzmodell 17 wird ein hochfrequentes Verhalten der Regelstrecke 2 modelliert.
In einem Schritt S49 werden erneut die Pole Z' ermittelt, die erwartet werden, wenn die Regelanordnung 1 entsprechend den im Rahmen der Schritte S41 bis S47 ermittelten Parametern P, T parametriert ist. Im Unterschied zum Schritt S5 von 2 wird im Schritt S49 zur Ermittlung der erwarteten Pole Z' jedoch das Gesamtmodell 18 herangezogen.
In einem Schritt S50 wird überprüft, ob die im Rahmen des Schrittes S49 ermittelten erwarteten Pole Z' innerhalb des vorbestimmten Bereichs 8 liegen. Wenn die Prüfung des Schrittes S50 positiv verläuft, wird ein Schritt S51 ausgeführt, der dem Schritt S7 von 2 entspricht. Wenn die Prüfung des Schrittes S50 hingegen negativ verläuft, werden die Parameter P, T der Regelanordnung 1 in einem Schritt S52 variiert.
Es ist natürlich auch möglich, im Schritt S48 das Grundmodell 6 parallel durch verschiedene Zusatzmodelle 17 zu ergänzen und so mehrere Gesamtmodelle 18 zu ermitteln. In diesem Fall werden die Schritte S49 und S50 für jedes Gesamtmodell 18 ausgeführt.
Vorzugsweise wird vom Schritt S52 aus zum Schritt S45 zurückgegangen. Denn dadurch erfolgt das Variieren der Parameter P, T durch erneutes Ausführen des Grundbestimmungsverfahrens. Vorzugsweise wird jedoch entsprechend dem Schritt S52 im Rahmen des erneuten Ausführens des Grundbestimmungsverfahrens der vorbestimmte Bereich 8 eingeschränkt. Alternativ oder zusätzlich kann die Art und Weise geändert werden, auf welche die Parameter P, T ermittelt werden. In diesem Fall wird im Rahmen des Schrittes S52 der Schritt S47 variiert.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist in vielen Fällen die Ermittlung der Parame ter P, T möglich, obwohl die Anzahl der Parameter P, T der Regelanordnung 1 nur relativ klein ist und/oder die Parameter P, T nur in begrenztem Umfang variierbar sind. Ferner ist der Rechenaufwand zur Bestimmung der Parameter P, T relativ gering. Insbesondere ist er so gering, dass das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren sogar online ausführbar ist. Auch wird das Dynamikpotential der Regelstrecke 2 besser ausgenutzt.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Bestimmungsverfahren für Parameter (P, T) einer parametrierbaren Regelanordnung (1), mittels derer eine Regelstrecke (2) geregelt werden soll, mit folgenden Schritten: – Es wird ein Modell (6) erstellt, durch das die Regelstrecke (2) und die Regelanordnung (1) modelliert werden, – anhand des Modells (6) werden erwartete Pole (Z) der Regelstrecke (2) als solcher ermittelt, – anhand des Modells (6) werden die Parameter (P, T) der Regelanordnung (1) derart ermittelt, dass erwartete Pole (Z') der Regelstrecke (2) bei von der Regelanordnung (1) geregelter Regelstrecke (2) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (8) liegen.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) in der Laplace-Ebene einer geschlossenen Fläche entspricht.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) durch drei Größen (φ, a, R) bestimmt ist.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass je eine der Größen (φ, a, R) für eine frequenzbezogene Minimaldämpfung, für eine Reaktionsgeschwindigkeit der Regelanordnung (1) und für eine maximale Stellenergie (3) eines von der Regelanordnung (1) angesteuerten Stellgliedes (3) der Regelstrecke (2) charakteristisch ist.
Bestimmungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) parametrierbar ist.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für die maximale Stellenergie des von der Regelanordnung (1) angesteuerten Stellgliedes (3) charakteristische Größe (R) fest vorgegeben ist und dass die für die frequenzbezogene Minimaldämpfung und die Reaktionsgeschwindigkeit charakteristischen Größen (φ, a) parametrierbar sind.
Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) fest vorgegeben ist.
Bestimmungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es von einem Rechner (9) ausgeführt wird.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Rechner (9) während des Regelns der Regelstrecke (2) durch die Regelanordnung (1) (online) mindestens ein momentaner Soll- oder Istwert der Regelstrecke (2) zugeführt wird, – dass der Rechner (9) den mindestens einen momentanen Soll- oder Istwert der Regelstrecke (2) bei der Erstellung des Modells (6) berücksichtigt, – dass der Rechner (9) die erwarteten Pole (Z) der Regelstrecke (2) als solcher und die Parameter (P, T) der Regelanordnung (1) online ermittelt und – dass der Rechner die Regelanordnung (1) online entsprechend den jeweils ermittelten Parametern (P, T) parametriert.
Bestimmungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (6) ein Filter (7d) aufweist, das zwischen einer die Regelanordnung (1) modellierenden Modellkomponente (7c) und einer die Regelstrecke (2) modellierenden Modellkomponente (7a + 7b) angeordnet ist und dass mittels des Filters (7d) das Ausfiltern hochfrequenter Komponenten einer von der Regelanordnung (1) auszugebenden Stellgröße (y) modelliert wird.
Bestimmungsverfahren für Parameter (P, T) einer parametrierbaren Regelanordnung (1), mittels derer eine Regelstrecke (2) geregelt werden soll, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Grundbestimmungsverfahren ausgeführt wird, das einem Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 entspricht, – dass das im Rahmen des Grundbestimmungsverfahrens verwendete Modell (6) (Grundmodell 6) nur das niederfrequente Verhalten der Regelstrecke (2) modelliert, – dass das Grundmodell (6) mindestens einmal durch ein Zusatzmodell (17) ergänzt wird, durch das ein hochfrequentes Verhalten der Regelstrecke (2) modelliert wird, – dass überprüft wird, ob die erwarteten Pole (Z') der Regelstrecke (2) bei von der Regelanordnung (1) geregelter Regelstrecke (2) auch bei Verwendung des durch das Zusatzmodell (17) ergänzten Grundmodells (6) innerhalb des vorbestimmten Bereichs (8) liegen, und – dass die im Rahmen des Grundbestimmungsverfahrens ermittelten Parameter (P, T) variiert werden, wenn die erwarteten Pole (Z') der Regelstrecke (2) bei von der Regelanordnung (1) geregelter Regelstrecke (2) bei Verwendung des durch das Zusatzmodell (17) ergänzten Grundmodells (6) außerhalb des vorbestimmten Bereichs (8) liegen.
Bestimmungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Variieren der Parameter (P, T) durch erneutes Ausführen des Grundbestimmungsverfahrens erfolgt und dass im Rahmen des erneuten Ausführens des Grundbestimmungsverfahrens der vorbestimmte Bereich (8) eingeschränkt wird und/oder die Art und Weise, auf welche die Parameter (P, T) ermittelt werden, geändert wird.
Computerprogramm, das Maschinencode (15) aufweist, der von einem Rechner (9) unmittelbar ausführbar ist und dessen Ausführung durch den Rechner (9) bewirkt, dass der Rechner (9) ein Bestimmungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche ausführt.
Datenträger mit einen auf dem Datenträger gespeicherten Computerprogramm (14) nach Anspruch 13.
Rechner, wobei der Rechner einen Speicher (11) und eine Eingabeeinrichtung (12) aufweist, wobei im Speicher (11) ein Computerprogramm (14) nach Anspruch 13 gespeichert ist, wobei dem Rechner über die Eingabeeinrichtung (12) von einem Benutzer (16) des Rechners ein Aufrufbefehl (A) vorgebbar ist, wobei die Vorgabe des Aufrufbefehls (A) den Aufruf und die Ausführung des Computerprogramms (14) durch den Rechner bewirkt.
Rechner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eine Ausgabeeinrichtung (13) aufweist, über die der Rechner mit der parametrierbaren Regelanordnung (1) verbunden ist, und dass der Rechner die von ihm ermittelten Parameter (P, T) an die Regelanordnung (1) ausgibt.