DE102008011111A1

DE102008011111A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich einer Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE102008011111A1
Application number: DE102008011111A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bonefeld
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-01-02
Also published as: US20100211194A1; EP2171547A1; WO2009003643A1; US8295954B2

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Regeleinrichtung anzugeben, welche eine automatische Nachführung zusätzlicher Reglerparameter sicherstellt sowie ein Verfahren anzugeben, welches diese automatische Nachführung bewirkt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich einer ersten 2 und einer zweiten Funktionseinheit 1, 3, 4, 6 einer Regeleinrichtung, wobei in einem ersten Schritt eine Kennzahl ermittelt wird, welche die relative Abweichung der Reaktionen y<SUB>Mod</SUB> und y<SUB>Sys</SUB> beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und wobei in einem zweiten Schritt aus der Kennzahl ein Korrekturfaktor ermittelt wird, welcher zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten 1, 2, 3, 4, 6 dient und welcher eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Der Vorteil besteht darin, dass der Regelkreis jederzeit an neue Gegebenheiten automatisch adaptierbar ist.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Abgleich einer ersten und einer zweiten Funktionseinheit einer Regeleinrichtung sowie mit der zur Ausführung des Verfahrens zugrundeliegenden Regeleinrichtung selbst.
Geregelte Systeme mit integrierendem Zweig im Regler weisen strukturbedingte Überschwinger im Führungsverhalten auf. Solche geregelten Systeme kommen beispielsweise bei drehzahlgeregelten AC-Servomotoren oder auch bei druckgeregelten Zylinderantrieben zum Einsatz. Um diese Überschwinger zu reduzieren werden beispielsweise Sollwertfilter eingesetzt, welche abhängig von ihrer Parametrierung die Überschwinger beeinflussen können.
Derartige Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass mit der Filterverzögerungszeit ein zusätzlicher Reglerparameter vorliegt, welcher während des Betriebes nachgeführt werden muss, da sich jederzeit die peripheren Gegebenheiten (Regelstreckenparameter) ändern können.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Regeleinrichtung anzugeben, welche eine automatischen Nachführung der zusätzlichen Reglerparameter sicherstellen sowie ein Verfahren anzugeben mittels dessen eine solche automatische Nachführung bewirkt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens und einer Regeleinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die Regeleinrichtung bewirkt einen Abgleich für zumindest zwei von der Regeleinrichtung umfasste Funktionseinheiten, welche mittels parametrierbarer Eigenwerte konfigurierbar sind, wobei ein Berechnungsmittel von der Regeleinrichtung umfasst ist, welches eine Kennzahl ermittelt, welche die relative Abweichung der Reaktionen y_Mod und y_Sys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und aus der Kennzahl einen Korrekturfaktor ermittelt, welcher zur Parametrierung der Funktionseinheiten dient, wobei ein Korrekturmittel umfasst ist, dem der Korrekturfaktor zugeführt ist und welches eine Parametrierung der Funktionseinheiten derart vornimmt, dass dies eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
Das Verfahren, nach dem die Regeleinrichtung arbeitet, ist dabei so strukturiert, dass die Kennzahl in einem ersten Schritt ermittelt wird. Die Kennzahl wird aus den beiden unterschiedlichen Antworten beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung ermittelt und quantifiziert eine mögliche Parameterabweichung zwischen beiden Funktionseinheiten. Aus dieser Kennzahl wird in einem zweiten Schritt der Korrekturfaktor ermittelt, wobei der Korrekturfaktor zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten dient und eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Der Korrekturfaktor könnte sich auf die Filterzeit und/oder Reglerverstärkung K_P beziehen. Er bewirkt einer Konvergenz von Wunschmodellverhalten und Systemverhalten. Bei einer geeigneten Parametrierung der Funktionseinheiten der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung können somit die Überschwinger reduziert und das Störungsverhalten des Systems vom Führungsverhalten teilweise entkoppelt werden.
Das Berechnungsmittel der Regeleinrichtung ist derart ausgebildet, dass ein dimensionsloser Korrekturfaktor ermittelbar und mittels des Korrekturmittels eine iterative Änderung eines Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors durchführbar ist, wobei das Korrekturmittel solange Korrekturwerte vom Berechnungsmittel verarbeitet, bis die Abweichung im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem im wesentlichen entspricht.
Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Regeleinrichtung einen selbstregelnden Mechanismus enthält, welcher eine Optimierung dynamisch und adaptiv vornehmen kann, indem mittels der oben erwähnten Parametrierung der Funktionseinheiten der Regelkreis jederzeit automatisch an neue Gegebenheiten anpassbar ist. Dieser Mechanismus könnte auch nichtautomatisch, d. h. händisch gestartet werden, beispielsweise in der Mobilhydraulik bei geschwindigkeitsgeregelten Achsen in Baumaschinen, wo eine automatisierte Steuerungsebene entweder nicht vorhanden ist oder automatisierte Achsbewegungen zu Abgleichszwecken nicht akzeptabel sind.
Vorzugsweise startet man im Rahmen eines dritten Verfahrensschrittes mittels eines aus der Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals den Abgleich, so dass der Abgleich leicht automatisierbar ist. Dies könnte so realisiert werden, dass die der Erfindung zugrundeliegende Regeleinrichtung ein Triggermittel umfasst ist, welches aus einer Führungsgrößenänderung ein Signal ableitet, welches der Regeleinrichtung zugeführt ist und den Start des Abgleichs bewirkt.
Konkret kann es sich bei der ersten Funktionseinheit um einen als Tiefpass realisierten Sollwertfilter im Integralzweig der Regeleinrichtung handeln und bei der zweiten Funktionseinheit um das zu regelnde System selbst, bestehend aus zumindest einem Regler, einer Regelstrecke und üblichen Störgrößen.
Dadurch bedingt, dass das Signal am Filterausgang und die Regelgröße des realen Systems identisch sind, wenn die Störungen am realen System verschwindend sind, stellt das Filter quasi ein abgleichbares Modell des Systems dar, wobei der Abgleich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt. Es können somit Streckenkenngrößen wie Trägheiten oder hydraulische Kapazitäten unter gewissen Randbedingungen automatisiert oder teilautomatisiert aus dem Verhalten des geregelten Systems abgeleitet werden.
Vorzugsweise ist jeder Funktionseinheit ein weiteres Filter vorgeschaltet, wobei die Filter eine identische Filtercharakteristik aufweisen und somit die gezielte Reduzierung von Störeinflüssen erlaubt. y_Mod und y_Sys können somit vor der Kennzahlermittlung mittels einer Filtervorrichtung gefiltert werden, was Störungen reduziert.
Die Fehlerermittlung basiert auf den Vergleichsgrößen y_Mod und y_Sys, wobei y_Mod und y_Sys das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten (hier Filter/System) bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet darstellt. Mittels der Integration wird ein Fehlersignal E = y_Mod – y_Sys über einen Referenzzeitraum T_f summiert. T_f entspricht einem Eigenwert (z. T. Zeitkonstante bei PT1-Glied), mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist.
Für das vorliegende Problem wurde ein Ansatz der Gewichtung gewählt, der vornehmlich auf die Robustheit des Algorithmus gegen Störeinflüsse abzielt. Dabei liegen folgende Überlegungen zu Grunde: Störungen wirken nur auf das reale System und beeinflussen somit y_Sys. Auf das Modell und damit y_Mod hingegen wirken Störgrößen nicht ein. Ein Fehlersignal E ist um so sicherer eine Folge des Führungssignals, je höher die Anregung des Systems durch das Führungssignal ist, weil dann die Amplitude der Störgrößen vernachlässigbar wird.
In einem System erster Ordnung (PT1) ist die Änderung des Ausgangssignals ein Maß für die Anregung, da sie die Abweichung zwischen Eingang- und Ausgangssignal wiedergibt gemäß:
Das Fehlersignal E wird dementsprechend mit der Größe y ._Mod gewichtet, denn y ._Mod ändert sich proportional zur Intensität der Führungsgröße. Die Wichtung des Fehlersignals E durch Multiplikation mit dem Betrag von y ._Mod stellt sicher, dass Fehler nicht bewertet werden, solange keine Führungsgrößenänderung vorliegt.
Zur Fehlerauswertung liegt damit zunächst ein integrierter gewichteter Fehler IWE (Integrated Weighted Error) vor gemäß:
Es handelt sich um ein spezielles Fehlerfunktional zur Ermittlung dynamischer Kennwerte eines regelungstechnischen Systems auf Basis von Zeitreihen nach Anregung des Systems. Der Unterschied beider Funktionale liegt darin, dass bei Funktional (1) IWE unter Berücksichtigung eines frei wählbaren Anfangszeitpunktes T0 ermittelt wird, wobei bei Funktional (2) IWE unter Berücksichtigung des Startzeitpunktes T₀ = 0 erfolgt. Funktional (2) stellt damit einen Sonderfall des Funktionals (1) dar.
Der Nachteil der Funktionale (1) oder (2) in Hinblick auf die Ermittlung von Kenngrößenverhältnissen ist, dass sie eine Dimension y² aufweisen und damit überproportional abhängig von der Höhe der Anregung sind. Ein dimensionsloser, anregungsunabhängiger Kennwert kann erzielt werden, wenn die IWE – Funktionale auf ein Funktional bezogen werden, das ganz ähnlich, jedoch unter Verwendung der Systemausgangsgröße anstatt des Fehlers E und unter Verwendung der Änderungsgeschwindigkeit des Systemausgangs anstatt des Modellausgangs gemäß
ermittelt wird. Die Signumfunktion im Falle (3) und (4) stellt sicher, dass die Richtung des Fehlers unabhängig von der Richtung der Anregung ist. Durch Verwendung der Systemantwort y_Sys zur Normierung des Fehlerfunktionals wird außerdem eine weitere Stabilisierung gegenüber Störungen erreicht. Mittels der Verwendung von Δy_Sys = y_Sys – y_Sys(t = T₀) im Falle (5) erreicht man die Berücksichtigung der Gesamtzustandsänderung des Systems oder im Falle (4) die totale Zustandsänderung des Systems. Mittels der Normierung erreicht man die Entkopplung des Ergebnisses von der Anregungsform und Anregungshöhe. Die Normierung bezüglich der totalen Zustandsänderung bewertet bei verrauschten Signalen den Fehler geringer, d. h. es resultiert eine gute Störstabilität. Die Normierung auf die Gesamtzustandsänderung konvergiert schneller (siehe später).
Insgesamt ergeben sich folgende alternative Funktionale zur Ermittlung der Kennzahl, mittels derer eine Kennzahl für Korrekturen ableitbar ist:
y_Mod und y_Sys stellt das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet dar. Das Symbol y . kennzeichnet jeweils die zeitliche Ableitung von y und T_f kennzeichnet einen Eigenwert, insbesondere die Filterzeitkonstante eines Tiefpasses, mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist. x steht für ein Vielfaches des Eigenwertes, vorzugsweise für einem Wert um 2·Pi, und es gilt Δy_Sys = y_Sys – y_Sys(t = T₀), d. h. es wird nun die Systemänderung zwischen zwei Zeitpunkten betrachtet, wobei T0 einem frei wählbaren Startzeitpunkt entspricht, zu dem der aktuelle Zeitpunkt relativ betrachtet wird.
Diese Kennzahl wird als relativer integrierter gewichteter Fehler (RIWE = Relative Integrated Weighted Error = Korrekturfaktor) bezeichnet.
Zur Vereinfachung des Abgleichs wird eine Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit vom Verhältnis der Eigenwerte der ersten und der zweiten Funktionseinheit ermittelt, welche Kennlinie insbesondere zumindest teilweise in dem Bereich linearisiert wird, in dem die Kennzahl gegen Null tendiert. Die Regeleinrichtung beinhaltet daher ein Mittel zur Ableitung einer Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit der Eigenwerte der Funktionseinheiten und umfasst vorzugsweise ein Speichermittel in dem diese Kennlinie abgelegt ist und auf das die Regeleinrichtung Zugriff hat.
2 zeigt eine solche Kennlinie beispielhaft.
Die Anwendung des RIWE-Funktionals wurde hier auf zwei ideale Systeme erster Ordnung angewendet. Es ergibt sich eine Kennlinie des Fehlerfunktionals in Abhängigkeit vom Verhältnis der Zeitparameter T_Sys/T_Mod der verglichenen Systeme.
Die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels der Kennlinie erfolgt nun vorzugsweise durch sukzessive Approximation innerhalb eines definierten Wertebereiches der Kennzahl und Begrenzung der Kennzahl außerhalb dieses Wertebereiches.
Eine Vorschrift für die Korrekturschätzung kann beispielsweise lauten:
Unterschreitet RIWE den unteren RIWE Grenzwert, so wird T_Mod/T_Sys auf einen unteren Wert fixiert. Überschreitet RIWE den oberen RIWE Grenzwert, so wird T_Mod/T_Sys auf einen oberen Wert fixiert. Innerhalb der RIWE Grenzwerte wird eine Gerade mit einer definierten Steigung an den optimalen Wert T_Mod/T_Sys = 1, wo auch RIWE = 0 ist, gelegt. Hier stellt sich ein Fehler von Null ein, d. h. das System und das Modell sind abgeglichen.
Mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise können bei Abweichungen die Modell- und Systemparameter leicht iterativ geändert werden, solange bis Modell und Systemverhalten schließlich im wesentlichen identisch sind. Daher umfasst das Verfahren vorzugsweise folgende Schritte:
Zuordnung der aktuellen Kennzahl zu relativ zueinander bezogenen Eigenwerten von Funktionseinheiten, mittels derer die Kennzahl ermittelt wurde. Im obigen Beispiel wäre dies T_Mod/T_Sys.
Ermittlung eines Korrekturfaktors durch Auswertung oder Ablesen aus der Kennlinie. Es wird hierbei ermittelt welche Änderung T_Mod/T_Sys erfahren muss, um RIWE zu reduzieren.
Änderung eines Eigenwertes (hier T_Mod oder T_Sys) zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors.
Aus der hieraus resultierenden Änderung von RIWE ergibt sich konsequenterweise eine erneute Änderung des Faktors T_Mod/T_Sys. In einem weiteren Schritt wird diese Neuermittlung der Kennzahl RIWE durch Auswertung der Kennlinie mit dem neuen Verhältnis von T_Mod/T_Sys durchgeführt.
Die Wiederholung der vorherigen Schritte erfolgt solange, bis die Kennzahl im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem Sollwert im wesentlichen entspricht. Der Sollwert wird so gewählt sein, dass sich ein vernachlässigbarer Fehler einstellt.
Der Ablauf einer solchen Iteration ist beispielhaft in 3 gezeigt. Das Bild zeigt die inverse Kennlinie von RIWE dargestellt über den Quotienten T_Mod/T_Sys:
Die Kurve wurde um RIWE = 0 linearisiert und wie folgt begrenzt:
Das Verfahren konvergiert innerhalb von wenigen Schritten. Je weniger Anforderungen an die Höhe der Abweichung gestellt werden, desto weniger Iterationsschritte sind erforderlich.
Die Auswertung erfolgt wie nachfolgend beschrieben (alle Zahlenwerte sind ca. – Angaben):
RIWE liegt anfänglich bei –0,33 und T_Mod/T_Sys liegt anfänglich bei 0,5. Da T_Mod/T_Sys außerhalb des linearisierten Bereiches liegt, wird von der unteren Begrenzungslinie (0,6) aus betrachtet eine Änderung von T_Mod/T_Sys vorgenommen durch Modifikation einer oder beider Parameter innerhalb einer Funktionseinheit. Der Quotient ändert sich somit auf T_Mod/T_Sys = 0,8. Hierbei stellt sich anhand der RIWE-Kennlinie ein RWIE = –0,1 ein, was gegenüber RIWE = –0,33 bereits einer massive Fehlerreduzierung bewirkt. Da für den Quotienten T_Mod/T_Sys = 0,8 bereits der linearisierte Bereich der Kennlinie relevant ist, wird ausgehend von dieser Kennline T_Mod/T_Sys weiter modifiziert, d. h. die RIWE-Kennlinie wird von nun an nicht mehr betrachtet. An den Kennlinien kann man nun ablesen, dass sich für T_Mod/T_Sys annähernd der Faktor 1 einstellt, wobei RWIE hier im wesentlichen gegen Null tendiert. Mittels weniger Iterationsschritte wäre hierbei also der Fehler weitestgehend eliminiert worden. Sofern es erforderlich ist können weitere Iterationsschritte die Annäherung an RIWE = 0 bewirken, je nachdem welche Genauigkeit gewünscht ist. Je nach Wahl eines der Zählerfunktionale (3) bis (5) erreicht man schnellere oder störstabilere Ergebnisse. Mit zunehmender Erwartungshaltung bezüglich der Reduzierung von RIWE steigt jedoch die Anzahl der Iterationsschritte und damit auch der Rechenaufwand und der Zeitaufwand.
Vorzugsweise umfass der weiter oben beschriebene dritte Schritt folgende Teilschritte

a) Ermittlung des Systemrauschpegels während des Abgleichs,
b) Festlegung eines Schwellwertes, welcher über dem Systemrauschpegel liegt,
c) Ermittlung des lokalen Maximums des Signals über dem Schwellwert,
d) Neustart des Abgleichs

Dies ermöglicht es ein Triggersignal aus einer Führungsgrößenänderung nur dann abzuleiten, wenn dieses Triggersignal über dem Systemrauschpegel liegt.
Der Beginn des Abgleichs kann somit gestartet werden, ohne dass ein gesondertes Startsignal auf Steuerungsebene generiert werden muss. So ist eine Parameteradaption z. B. auch in Systemen möglich, in denen das Führungssignal händisch erzeugt wird. Als Beispiel seien Geschwindigkeitssollwerte in mobilen Arbeitsmaschinen genannt. Hier müssen beliebige Sollwertverläufe berücksichtigt werden. Als auszuwertendes Triggersignal könnte die zweite Ableitung x .. der Führungsgröße x gewählt werden. Dies ist im Geschwindigkeitsregler der Ruck. Damit kann auch im Satzbetrieb Positionsgeregelter Antriebe (mit Ruck- oder Beschleunigungsbegrenzung) ein Triggersignal unmittelbar nach Start eines Satzes generiert werden.
Der Triggeralgorithmus kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:

– Erkennung eines lokalen Maximums von x .. (zweite Ableitung der Führungsgröße) gemäß der Vorschrift x .._k < x .._k-1 ⋀ x .._k-1 ≥ x .._k-2 und Merken des Triggerwertes, wobei k-1 jeweils den vorhergehenden Wert darstellen soll.
– Rücksetzen des Abgleichs, wenn während der Laufzeit ein höherer Triggerwert erkannt wird.
– Bildung eines durchschnittlichen Niveaus des Triggersignals als arithmetisches Mittel des Betrags aller Einzelwerte über den Abgleichzeitraum als Basis für eine Rauschunterdrückung.
– Start der Auswertung, wenn der Triggerwert das X-fache des Rauschpegels der vorherigen Auswertung überschreitet.

Als zusätzliche Stabilisierungsmaßnahme wird das Ergebnis der Auswertung verworfen, wenn die Änderung der Systemausgangsgröße über den gesamten Auswertezeitraum ein anderes Vorzeichen aufweist als die Änderung der Eingangsgröße. Dies deutet nämlich eindeutig auf eine Anregung des Systems durch Störgrößen hin.
Das Triggermittel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist zu diesen Zwecken derart ausgebildet, dass es den Systemrauschpegel während eines Abgleichs ermittelt, automatisch einen Schwellwert abhängig vom ermittelten Systemrauschpegel festlegt, das lokale Maximums eines von einer Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals feststellt und den Start des Abgleichs abhängig vom ermittelten Maximum realisiert.
Vorzugsweise arbeitet die Regeleinrichtung einer elektrisch betriebenen Maschine, insbesondere ein geschwindigkeitsgeregelter Antrieb, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. In einem geschwindigkeitsgeregelten Antrieb verhält sich das Nennerfunktional proportional zur Summe des Betrags der kinetischen Leistung des Antriebs.
An diesem Zusammenhang kann physikalisch verdeutlicht werden, wie das Nennerfunktional die Robustheit des Gesamt-Fehlerfunktionals erhöht: Die summierte gewichtete Abweichung der Geschwindigkeiten von Modell y_Mod und realem Antrieb y_Sys wird bezogen auf die gesamte für die Geschwindigkeitsänderung des Antriebs aufgebrachte Energie. In diesen Wert gehen auch Leistungswerte ein, die durch Störkräfte entstehen. Treten also während eines Analysezeitraums Störungen auf, so wird das Gesamtfunktional RIWE entsprechend kleiner; der Fehler damit geringer bewertet. Es ist somit die Identifikation der effektiven Antriebsträgheit möglich. Der Parameter „a" steht dabei für de Beschleunigung, „F" für die Kraft, „m" für die Masse und „P" für die Leistung, „v" für die Geschwindigkeit.
Sinngemäß gilt dies auch für hydraulisch betriebene Maschinen, insbesondere für druckgeregelte und ventilgesteuerte Zylinder oder geschwindigkeitsgeregelte und ventilgesteuerte Zylinderantriebe. Es ist zum Beispiel außerdem die Identifikation der hydraulischen Kapazität basierend auf der Messung von Druckänderungen beziehungsweise Volumenänderungen möglich
Auch für die Verwendung von pneumatisch betriebene Maschinen oder Hybridmaschine, welche sich mehrerer zuvor genannter Prinzipien bedienen, ist die Erfindung vorteilhaft.
Vorzugsweise bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Systeme erster Ordnung, wobei eine voll- oder halbautomatische Realisierung denkbar ist.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung. Diese zeigt ein PI – geregeltes System, welches prinzipbedingt überschwingendes Führungsverhalten aufweist. Dies wurde durch Einführung eines Sollwertfilters in den Integral-Zweig des Reglers verhindert. Der eingesetzte Filter kann unter Berücksichtigung der Erläuterungen weiter oben, als Modell des Systems mit Proportionalregler angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt einen auf der Basis von Zeitverläufen des Filterausgangs und der Regelgröße in einem bestimmten Zeitraum nach Anregung durch Sollwertänderung einen Korrekturwert, der zur Parameterkorrektur so eingesetzt werden kann, dass sich Modell- und Systemverhalten angleichen. Mit diesem Verfahren sind Regleradaption und Parameteridentifikation möglich.
Im Detail zeigt die 1 ausschnittsweise den Signalflussplan eines PI-Reglers, welcher einen Proportionalzweig 1, einen Filter 2 und einen Integralzweig 3 umfasst. Zusätzlich angedeutet ist die Regelstrecke 4 und Störgrößen 6. Im Integral-Zweig des Reglers ist hier ein Tiefpassfilter erster Ordnung für den Sollwert 5 eingeführt, der bei geeigneter Parametrierung der Verzögerungszeit T_f die Nullstelle der Übertragungsfunktion der Komplettanordnung kompensiert. Diese Maßnahme hat sowohl positive Auswirkungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit bzgl. des Führungsverhaltens als auch bezüglich der Reduzierung des Störverhaltens. Dem PI-Regelkreis könnte außerdem ein weiterer Regelkreis aufkaskadiert werden, z. B. ein Positionsregler für elektrische Servoachsen.
Die geeignete Filterparametrierung für das hier verwendete Beispiel ergibt sich zu:
Für den vorteilhaften Fall einer Parametrierung des Filters entsprechend dieser Gleichung sind Führungsverhalten von Filter (Modell) und System (Regelkreis ohne Filter) identisch. Da Filter- und Streckenverhalten nicht voneinander abweichen, ergibt sich kein Stellwert im I-Zweig. Mittels der Filterparametrierung wird somit eine Minimierung der Abweichung zwischen einem Modell (Filter) und dem realen System realisiert. Ob dabei die Minimierung der Abweichung durch Anpassung des Modells (Filterparametrierung) oder des Systems (Reglerparametrierung) erfolgt, ist in diesem Zusammenhang sekundär. Das heißt: Zum Abgleich von System- und Modellverhalten kann neben der Anpassung der Zeitkonstanten T_f des Filters auch auf die reale Antwortzeit T_M des drehzahlgeregelten Antriebs oder die Änderung der Reglerverstärkung K_P zurückgegriffen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Parametrierung auf numerischem Weg. Das Verfahren könnte beispielsweise mittels einer antriebsintegrierten Steuerung realisiert werden oder mittels antriebsintegrierter oder externer Regelung. Der Abgleich könnte beispielsweise auf die Drehzahlregelung oder Positionsregelung eines Antriebs angewendet werden. Als Anregungsformen zur Simulation einer Führungsgrößenänderung stehen Sprünge sowie für den Positionierbetrieb Rampen mit Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbegrenzung sowie beliebige Sollwertsignale aus einer übergeordneten Reglerkaskade zur Verfügung. Weiterhin könnte ein Abschaltfenster realisiert werden, das die Übernahme eines neu identifizierten Parameters verhindert, wenn er weniger als ein festzulegender Prozentsatz, beispielsweise 0,5%, vom aktuellen Parameterwert abweicht.
Zusammenfassung der verwendeten Symbolik:

x .

– Drehzahlsollwert (Führungsgröße)

x .o

– Drehzahlistwert

F_o

– Stellgröße

F_L

– Störgröße

K_P

– Verstärkungsfaktor (Proportionalglied)

K_M

– Drehmomentkonstante

m

– Masse

T_i

– Integriergliedzeitkonstante

T_f

– Filterzeitkonstante (PT1)

T_M

– Systemantwortzeit

U

– Spannung

y_Mod

– Systemantwort des Modells auf sich ändernde Führungsgröße

y_Sys

– Systemantwort des Regelsystems auf sich ändernde Führungsgröße

Δy_Sys

– Gesamtänderung der Systemantwort des Regelsystems

y ._Mod

– Ableitungen der Modellsystemantwort

y ._Sys

– Ableitungen der Regelsystemantwort

Claims

Verfahren zum Abgleich einer ersten (2) und einer zweiten (1, 3, 4, 6) Funktionseinheit einer Regeleinrichtung, wobei in einem ersten Schritt eine Kennzahl ermittelt wird, welche die relative Abweichung der Reaktionen y_Mod und y_Sys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und wobei in einem zweiten Schritt aus der Kennzahl ein Korrekturfaktor ermittelt wird, welcher zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten dient und welcher eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem dritten Schritt mittels eines aus der Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals der Abgleich gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der ersten Funktionseinheit (2) um einen Filter handelt, vorzugsweise um einen Tiefpass erster Ordnung, und wobei es sich bei der zweiten Funktionseinheit (1, 3, 4, 6) um das Regelsystem selbst handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei y_Mod und y_Sys vor der Kennzahlermittlung mittels einer Filtervorrichtung gefiltert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4, wobei die Kennzahl nach einer der folgenden Vorschriften ermittelt wird:
wobei y_Mod und y_Sys das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet darstellt, das Symbol y . jeweils die zeitliche Ableitung von y kennzeichnet und T_f einem Eigenwert einer ersten Funktionseinheit, insbesondere der Filterzeitkonstanten eines Tiefpasses (2) entspricht, mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist und wobei x für ein Vielfaches des Eigenwertes steht und vorzugsweise einem Wert um 2·Pi entspricht, und wobei Δy_Sys = y_Sys – y_Sys(t = T₀) ist, wobei T0 einem frei definierbaren Startzeitpunkt entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit vom Verhältnis der Eigenwerte der ersten und der zweiten Funktionseinheit (1, 2, 3, 4, 6) ermittelt wird, welche Kennlinie insbesondere zumindest teilweise in dem Bereich linearisiert wird, in dem die Kennzahl gegen Null tendiert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels der Kennlinie durch sukzessive Approximation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei folgende Schritte umfasst sind: a) Zuordnung der aktuellen Kennzahl zu Eigenwerten von Funktionseinheiten (1, 2, 3, 4, 6), b) Ermittlung des Korrekturfaktors, c) Änderung des Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit (1, 2, 3, 4, 6) mittels des Korrekturfaktors, d) Neuermittlung der Kennzahl, e) Wiederholung der Schritte a) bis d) bis die Kennzahl im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem Sollwert im wesentlichen entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der dritte Schritt folgende Teilschritte umfasst: a) Ermittlung des Systemrauschpegels während des Abgleichs, b) Festlegung eines Schwellwertes, welcher über dem Systemrauschpegel liegt, c) Ermittlung des lokalen Maximums des Signals, welches über dem Schwellwert liegt, d) Neustart des Abgleichs bei neuem lokalen Maximum.
Regeleinrichtung mit Abgleich für zumindest zwei von der Regeleinrichtung umfasste Funktionseinheiten (1, 2, 3, 4, 6), welche mittels parametrierbarer Eigenwerte konfigurierbar sind, wobei ein Berechnungsmittel umfasst ist, welches eine Kennzahl insbesondere gemäß Anspruch 5 ermittelt, welche die relative Abweichung der Reaktionen Y_Mod und y_Sys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten (1, 2, 3, 4, 6) mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und aus der Kennzahl einen Korrekturfaktor ermittelt, welcher zur Parametrierung der Funktionseinheiten dient, wobei ein Korrekturmittel umfasst ist, dem der Korrekturfaktor zugeführt ist und welches eine Parametrierung der Funktionseinheiten derart vornimmt, dass dies eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
Regeleinrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Triggermittel umfasst ist, welches aus einer Führungsgrößenänderung ein Signal ableitet, welches der Regeleinrichtung zugeführt ist und den Start des Abgleichs bewirkt.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Berechnungsmittel derart ausgebildet ist, dass ein dimensionsloser Korrekturfaktor ermittelbar ist und das Korrekturmittel derart ausgebildet ist, dass eine iterative Änderung eines Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors durchführbar ist, wobei das Korrekturmittel solange Korrekturwerte vom Berechnungsmittel verarbeitet, bis die Abweichung im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem im wesentlichen entspricht.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Mittel zur Ableitung einer Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit der Eigenwerte der Funktionseinheiten (1, 2, 3, 4, 6) umfasst ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Speichermittel umfasst ist, in dem die Kennlinie abgelegt ist und auf das die Regeleinrichtung Zugriff hat.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Triggermittel derart ausgebildet ist, dass es den Systemrauschpegel während eines Abgleichs ermittelt, automatisch einen Schwellwert abhängig vom ermittelten Systemrauschpegel festlegt, das lokale Maximums eines von einer Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals feststellt und den Start des Abgleichs abhängig vom ermittelten Maximum realisiert.
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei jeder Funktionseinheit ein Filter nachgeschaltet ist, wobei die Filter im wesentlichen identische Filtereigenschaften aufweisen.
Elektrisch betriebene Maschine, insbesondere Antrieb, mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
Hydraulisch betriebene Maschine, insbesondere druckgeregelter Zylinder oder geschwindigkeitsgeregelter Zylinderantrieb, mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
Pneumatisch betriebene Maschine mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
Hybridmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19.
Antriebssteuerung, vorzugsweise mit integrierter SPS, welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.