DE102009009328B4 - Method for reducing structural vibrations and control device for this purpose - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Regelungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Reglern (R n) für eine der Anzahl N von Reglern (R n) entsprechenden Anzahl von Regelstrecken (G n) beschrieben, die durch jeweils voneinander linear abhängige Wichtungsfaktoren (βn) gewichtet sind. Der effektive, aus der Mehrzahl von Reglern (R n) interpolierte Regler (R) ergibt sich aus der Summe der mit einem jeweils zugeordneten Wichtungsfaktor (βn) gewichteten einzelnen Reglerausgangssignale der Regler (R n). Die effektive, aus der Mehrzahl von Regelstrecken (G n) interpolierte Regelstrecke (G) ergibt sich aus der Summe der mit einem jeweils zugeordneten Wichtungsfaktor (βn) gewichteten einzelnen Regelstreckenausgangssignale der Regelstrecken (G n). Die Summe der Wichtungsfaktoren (βn) ist gleich eins. Die ein reguläres (N – 1)-Simplex beschreibenden linear abhängigen Wichtungsfaktoren (βn) sind definiert durch Transformation in einen mit linear unabhängigen Variablen (δk) vollständig beschriebenen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel.A control device is described with a plurality of controllers ( R n ) for a number of controlled systems ( G n ) corresponding to the number N of controllers ( R n ), which are weighted by respective linearly dependent weighting factors (β n ). The effective, from the plurality of controllers (R n) interpolated controller (R) is given by the sum of a respective associated weighting factor (β n) Weighted individual controller output signals of the controller (R n). The effective of the plurality of control paths (G n) interpolated controlled system (G) resulting from the sum of a respective associated weighting factor (β n) Weighted individual plant output signals of the control lines (G n). The sum of the weighting factors (β n ) is equal to one. The linear dependent weighting factors (β n ) describing a regular (N - 1) simplex are defined by transformation into a (N - 1) -dimensional hypercube completely described with linearly independent variables (δ k ).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Strukturschwingungen mit einem Regelkreis mittels schwingungsbeeinflussenden Aktoren, die durch Regler angesteuert werden, gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for reducing structural vibrations with a control loop by means of vibration-influencing actuators, which are controlled by regulators, according to claim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Regelungseinrichtung gemäß Anspruch 4The invention further relates to a control device according to claim 4

Die Regelungseinrichtung und das Verfahren zur Reduzierung von Strukturschwingungen beruht auf dem grundsätzlichen Problem, dass bei der Regelung von Strukturschwingungen oftmals nichtlineare Regelstrecken vorliegen. Zur Lösung der Regelungsaufgabe mit auf einem linearen Modellansatz beruhenden Techniken wird das Verhalten der nichtlinearen Regelstrecken an bestimmten Punkten, den so genannten Arbeitspunkten, linearisiert. in diesen Arbeitspunkten wird jeweils ein Regler entsprechend dem dortigen Verhalten ausgelegt. Um einen Regler für einen Zustand zu finden, der zwischen bestimmten Arbeitspunkten liegt, muss ein Regler durch Interpolation aus drei benachbarten Arbeitspunkten berechnet werden. Beim Wechseln der Zustände des Systems muss sich auch der interpolierte Regler ändern, was durch Umschalten der Regler erfolgt. Dabei müssen die umschaltenden Regler stabil sein, d. h. der Regelkreis muss für alle zeitigen Verläufe der Wichtungsfaktoren β stabil sein.The control device and the method for reducing structural vibrations based on the fundamental problem that in the control of structural oscillations often non-linear control systems are present. To solve the control problem with techniques based on a linear model approach, the behavior of the non-linear control systems is linearized at specific points, the so-called operating points. In each of these operating points, a controller is designed according to the local behavior. In order to find a controller for a condition that lies between certain operating points, a controller must be calculated by interpolation from three neighboring operating points. When changing the states of the system, the interpolated controller must also change, which is done by switching the controller. The switching regulators must be stable, d. H. the control loop must be stable for all the time profiles of the weighting factors β.

Die Wichtungsfaktoren β bilden dabei eine Ebene oder einen Raum ab, der durch die Gesamtheit der zu einem Vektor zusammengefassten Wichtungsfaktoren βn beschrieben werden kann. Der Wertebereich der Wichtungsfaktoren βn liegt üblicherweise im Bereich von 0 ≤ βn ≤ 1.The weighting factors β form a plane or a space that can be described by the totality of the weighting factors β n combined into a vector. The range of values of the weighting factors β n is usually in the range of 0 ≦ β n ≦ 1.

Die Regelungseinrichtung hat üblicherweise einen aus den Reglern, den Wichtungsfaktoren und den Regelstrecken gebildeten Regelkreis, der ein geschlossnes, rückgekoppeltes System bildet und aus den jeweils gewichteten Regelstrecken und Reglern sowie einer Rückführung besteht. Die Regelung erfolgt mit einer Führungsgröße r. Aus der Differenz zwischen der Führungsgröße r (Sollwert) und der Regelgröße y (Istwert) am Ausgang der gewichteten Regel strecke wird eine Regeldifferenz berechnet, die als Eingangsgröße in die Regler R n geführt wird. Die Summe des gewichteten Ausgangs der Regler R n bildet den Stellwert u, der auf die Regelstrecken G n wirkt und damit auf die Regelgröße y einwirkt.The control device usually has a control loop formed from the controllers, the weighting factors and the controlled systems, which forms a closed, feedback system and consists of the respectively weighted controlled systems and regulators as well as a feedback. The regulation takes place with a reference variable r . From the difference between the reference variable r (setpoint) and the controlled variable y (actual value) at the output of the weighted control path, a control difference is calculated, which is performed as an input to the controller R n . The sum of the weighted output of the controller R n forms the manipulated variable u , which acts on the controlled systems G n and thus acts on the controlled variable y .

Ein aus mehreren zusammengeschalteten Reglern R n und Regelstrecken G n zusammengeschalteter Regelkreis mit den Wichtungsfaktoren βn führt zu einem effektiven, interpolierten Regler

Figure 00020001
, für den gilt:
Figure 00020002
An interconnected of several controllers and control systems R n G n of interconnected control loop with the weighting factors β n leads to an effective, interpolated controller
Figure 00020001
for which applies:
Figure 00020002

Entsprechend gilt für die effektive, interpolierte Strecke Ĝ

Figure 00020003
The same applies to the effective, interpolated route Ĝ
Figure 00020003

Weiterhin gilt, dass die Summe der Wichtungsfaktoren ßn, mit n = 1 bis N, gleich eins ist und der Wertebereich der Wichtungsfaktoren βn im Bereich von 0 bis 1 liegt.Furthermore, the sum of the weighting factors β n , where n = 1 to N, is equal to one and the value range of the weighting factors β n is in the range from 0 to 1.

Bei zeitvarianten Wichtungsfaktoren βn ist ein übliches Verfahren zur Bestimmung der Stabilität die Anwendung des so genannten ”Small-Gain-Theorems”. Hierzu werden die zeitvarianten Wichtungsfakoren βn von den übrigen Elementen im Regelkreis separiert, d. h. die Wichtungsfaktoren βn werden praktisch aus dem Regelkreis herausgezogen. Der verbleibende Regelkreis ohne die Wichtungsfaktoren βn wird zu einem Gesamtsystem M mit dem Eingangsvektor i und Ausgangsvektor o zusammengefasst. Die Wichtungsfaktoren βn werden diagonal in β angeordnet und mit dem Gesamtsystem M verbunden.For time-variant weighting factors β n , a common method for determining the stability is the application of the so-called "small-gain theorem". For this purpose, the time-variant weighting factors β n are separated from the other elements in the control loop, ie the weighting factors β n are practically pulled out of the control loop. The remaining control loop without the weighting factors β n is combined into an overall system M with the input vector i and output vector o . The weighting factors β n are arranged diagonally in β and connected to the overall system M.

Das Small-Gain-Theorem besagt, dass der Regelkreis für alle zeitlichen Verläufe der Wichtungsfaktoren βn stabil ist, wenn gilt: ||β||2 ≤ 1/γ und ||M|| < γ wobei ||...||2 die H-2-Norm einer Matrix und ||...|| die H-unendlich-Norm eines Zustands-Raum-Modells ist.The small-gain theorem states that the control loop is stable for all time profiles of the weighting factors β n if: || β || 2 ≤ 1 / γ and || M || where || ... || 2 is the H-2 norm of a matrix and || ... || ∞ is the H-infinite norm of a state-space model.

Da alle Wichtungsfaktoren βn ≤ 1 sind, ist γ = 1.Since all weighting factors are β n ≤ 1, γ = 1.

Ein Problem herkömmlicher stabiler Regelungseinrichtungen, die das Small-Gain-Theorem erfüllen, ist, dass noch eine deutliche Stabilitätsreserve im Gesamtsystem verfügbar ist, die jedoch nicht genutzt werden kann.A problem of conventional stable control devices that fulfill the small-gain theorem is that there is still a significant stability reserve available in the overall system, which, however, can not be used.

Aus der US 2002/0099677 A1 ist ein adaptives Regelungssystem zur Steuerung einer Fabrikanlage bekannt. Das System eignet sich besonders für besonders ungleichmäßige, nicht lineare zu regelnde Anlagen, wofür dort ein neurales Netzwerk vorgeschlagen wird.From the US 2002/0099677 A1 An adaptive control system for controlling a factory is known. The system is particularly suitable for particularly non-uniform, non-linear systems to be controlled, for which a neural network is proposed there.

Aus der Veröffentlichung von Raisch, Jörg: Mehrgrößenregelung im Frequenzbereich, Technische Universität Berlin, werden verschiedene Ansätze zum Mehrgrößen-Reglerentwurf auf Grundlage von Frequenzbereichsmethoden beschrieben. Den genannten Ansätzen ist gemein, dass die noch verfügbaren Stabilitätsreserven im Gesamtsystem nicht genutzt werden können.From the publication of Raisch, Jörg: Multi-variable control in the frequency domain, Technical University of Berlin, various approaches to multi-variable controller design based on frequency domain methods are described. The above-mentioned approaches have in common that the still available stability reserves can not be used in the overall system.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Regelungseinrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Reduzierung von Strukturschwingungen mit einem Regelkreis zu schaffen, wobei die Regelung unter Ausnutzung der herkömmlichen Stabilitätsreserve trotzdem noch stabil ist.Object of the present invention is therefore to provide an improved control device and an improved method for reducing structural vibrations with a control loop, wherein the scheme is still stable using the conventional stability reserve.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit der Regelungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.The object is achieved by the method with the features of claim 1 and with the control device with the features of claim 4.

Es wurde erkannt, dass die zweite Bedingung ||M|| < γ sehr strikt ist und nur sehr konservative Resultate liefert. Diese Bedingung führt dazu, dass das Gesamtsystem noch eine deutliche Stabilitätsreserve aufweist, obwohl das Small-Gain-Theorem die Instabilität voraussagt.It was recognized that the second condition || M || <γ is very strict and gives only very conservative results. This condition causes the overall system to still have a significant stability reserve, although the small-gain theorem predicts the instability.

Es wird daher vorgeschlagen, die linear abhängigen Wichtungsfaktoren, die üblicherweise im Wertebereich von 0 ≤ βn ≤ 1 liegen und linear voneinander abhängig sind, durch linear voneinander unabhängige Parameter δk im Werte bereich von –1 ≤ δk ≤ 1 zu ersetzen, wobei die Parameter δk einen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel vollständig beschreiben.It is therefore proposed to replace the linearly dependent weighting factors, which are usually in the value range of 0 ≦ β n ≦ 1 and are linearly dependent on each other, by linearly independent parameters δ k in the value range of -1 ≦ δ k ≦ 1, where the parameters δ k completely describe an (N - 1) -dimensional hypercube.

Während die Wichtungsfaktoren βn üblicherweise im Wertebereich von 0 ≤ βn ≤ 1 ein reguläres (N – 1)-Simplex aufspannen, kann durch Transformation in die einen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel aufspannenden Variablen δk und durch Ausnutzung der durch Transformation gewonnenen Wichtungsfaktoren ein weniger konservatives Regelsystem geschaffen werden, das dennoch stabil ist und die Voraussetzung des Small-Gain-Theorems über die Stabilität erfüllt.Whereas the weighting factors β n usually span a regular (N - 1) simplex in the value range of 0 ≤ β n ≤ 1, transformation into the (N - 1) -dimensional hypercube spanning variable δ k and exploitation by transformation obtained weighting factors a less conservative control system is created, which is still stable and meets the requirement of small-gain theorem on stability.

Die linear abhängigen Wichtungsfaktoren βn werden somit durch Transformation eines mit linear unabhängigen Variablen δk vollständig beschriebenen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfels in ein reguläres (N – 1)-Simplex beschrieben.The linearly dependent weighting factors β n are thus described by transformation of a (N - 1) -dimensional hypercube completely described with linearly independent variable δ k into a regular (N-1) simplex.

Das Verfahren und die Regeleinrichtung kann beispielsweise zur Regelung von Strukturschwingungen bei Robotern genutzt werden, bei denen eine Umschaltung zwischen verschiedenen, auf jeweilige Arbeitspunkte linearisierten Reglern erfolgt.The method and the control device can be used for example for controlling structural vibrations in robots, in which a switchover between different, linearized to respective operating points regulators takes place.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen;The invention will be explained in more detail with reference to embodiments with the accompanying drawings. Show it;

1 – Blockdiagramm eines Regelkreises mit drei interpolierten Strecken und Reglern; 1 Block diagram of a control loop with three interpolated links and controllers;

2 – Regelkreis mit aus dem Regelkreis herausgenommenen Wichtungsfaktoren βn; 2 - control loop with weighting factors β n removed from the control loop;

3 – Blockdiagramm eines zusammengefassten Regelkreises mit externen Wichtungsfaktoren βn; 3 Block diagram of a combined control loop with external weighting factors β n ;

4a – Darstellung des durch die Wichtungsfaktoren βn aufgespannten regulären (N – 1)-Simplex mit N = 3; 4a - Representation of the regular (N - 1) -Simplex spanned by the weighting factors β n with N = 3;

4b – Darstellung des durch die Variablen δn aufgespannten (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfels mit N = 3; 4b - representation of the (N - 1) -dimensional hypercube spanned by the variables δ n with N = 3;

5 – Beispiel eines transformierten Regelkreises mit drei Reglern und Strecken; 5 - Example of a transformed control loop with three controllers and links;

6 – zusammengefasster Regelkreis mit externen Variablen δ; 6 - combined control loop with external variables δ;

7 – zusammengefasster Regelkreis mit einer Skalierungsmatrix; 7 - combined control loop with a scaling matrix;

8 – Flussdiagramm eines Ablaufs zur Prüfung der Stabilität der Umschaltung von drei Reglern; 8th Flow chart of a procedure for checking the stability of the switching of three controllers;

9 – Darstellung des eingeteilten Arbeitsraums eines Roboters in der y-z-Ebene mit zehn Arbeitspunkten; 9 - Representation of the divided workspace of a robot in the yz plane with ten working points;

10 – Verlauf des maximalen Singulärwertes des zusammengefassten Regelkreises unter Verwendung von Wichtungsfaktoren βn, von transformierten Wichtungsfaktoren mit den Variablen δk und von transformierten und skalierten Wichtungsfaktoren mit den Variablen δk. 10 - Course of the maximum singular value of the combined control loop using weighting factors β n , of transformed weighting factors with the variables δ k and of transformed and scaled weighting factors with the variables δ k .

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Regelkreises mit drei Reglern R n und drei Regelstrecken G n, die jeweils durch drei Wichtungsfaktoren βn gewichtet werden, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist. Die Differenz aus der Führungsgröße r und der Regelgröße y (negative Rückkopplung) am Ausgang des Regelkreises wird als Eingang jeweils auf die drei Regler R n gegeben. Der Ausgang der Regler R n wird mit den jeweils zugeordneten Wichtungsfaktoren βn multipliziert und die hieraus erhaltenen gewichteten Ausgangswerte der einzelnen Regler werden aufsummiert, um den Stellwert u zu bilden. Dieser Stellwert u wird als Eingangsgröße auf die Regelstrecken G n gegeben, wobei die Regelstrecken G n durch die gleichen Wichtungsfaktoren βn gewichtet werden, wie die zugeordneten Regler R n. 1 shows a block diagram of a control loop with three controllers R n and three controlled systems G n , which are each weighted by three weighting factors β n , where n is an integer from 1 to 3. The difference between the reference variable r and the controlled variable y (negative feedback) at the output of the control loop is given as input to the three regulators R n . The output of the controller R n is multiplied by the respectively assigned weighting factors β n and the weighted output values of the individual controllers obtained therefrom are added up in order to form the manipulated variable u . This control value u is given as an input to the control systems G n , the control systems G n being weighted by the same weighting factors β n as the associated controllers R n .

Die gewichteten Ausgangssignale der Regelstrecken G n werden aufsummiert und die Summe bildet die Regelgröße y am Ausgang des Regelkreises, die beispielsweise zur Regelung eines Aktors genutzt wird und gleichzeitig als negative Rückkopplung dient.The weighted output signals of the control paths G n are added up and the sum forms the controlled variable y at the output of the control loop, which is used, for example, to control an actuator and at the same time serves as a negative feedback.

Für den effektiven, interpolierten Regler

Figure 00070001
gilt:
Figure 00070002
For the effective, interpolated controller
Figure 00070001
applies:
Figure 00070002

Für die effektive, interpolierte Strecke Ĝ gilt:

Figure 00080001
und 0 ≤ βn ≤ 1. For the effective, interpolated route Ĝ, the following applies:
Figure 00080001
and 0 ≤ β n ≤ 1.

Bei zeitvarianten Wichtungsfaktoren βn wird zur Bestimmung der Stabilität das sogenannte Small-Gain-Theorem angewendet. Damit dieses Theorem zur Anwendung kommen kann, müssen die zeitvarianten Wichtungsfaktoren βn von den übrigen Elementen im Regelkreis separiert werden. Die Wichtungsfaktoren βn werden praktisch aus dem Regelkreis herausgezogen, wie in der 2 skizziert ist.For time-variant weighting factors β n , the so-called small-gain theorem is used to determine the stability. For this theorem to be used, the time-variant weighting factors β n must be separated from the other elements in the control loop. The weighting factors β n are practically pulled out of the control loop, as in the 2 outlined.

Der verbleibende Regelkreis wird zu einem Gesamtsystem M mit dem Eingangsvektor i und im Ausgangsvektor o zusammengefasst. Die Wichtungsfaktoren βn werden diagonal in einer Matrix β angeordnet und mit dem System verbunden. Der zusammengefasste Regelkreis M mit den externen Wichtungsfaktoren βn ist in 3 skizziert. The remaining control loop is combined into an overall system M with the input vector i and in the output vector o . The weighting factors β n are arranged diagonally in a matrix β and connected to the system. The summarized control loop M with the external weighting factors β n is in 3 outlined.

Das Small-Gain-Theorem besagt, dass der Regelkreis M für alle zeitlichen Verläufe der Wichtungsfaktoren βn stabil ist, wenn gilt: ||β||2 ≤ 1/γ und ||M|| < γ, wobei ||...||2 die 2-Norm einer Matrix und ||...|| die H--Norm eines Zustands-Raum-Modells ist. Da alle Wichtungsfaktoren βn ≤ 1 sind, ist γ = 1.The small-gain theorem states that the control loop M is stable for all time profiles of the weighting factors β n , if: || β || 2 ≤ 1 / γ and || M || <γ, where || ... || 2 is the 2-norm of a matrix and || ... || the H norm is a state-space model. Since all weighting factors are β n ≤ 1, γ = 1.

Um die Aussage des Small-Gain-Theorems über die Stabilität von beispielsweise drei umschaltenden Reglern weniger konservativ zu machen, wird eine Transformation der ein reguläres (N – 1)-Simplex, mit N = 3 für den dreidimensionalen Fall, im Wertebereich von 0 ≤ βn ≤ 1 beschreibenden Wichtungsfaktoren βn in einen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel mittels Variablen δk im Wertebereich von –1 ≤ δk ≤ 1 vorgenommen. Zudem erfolgt eine Skalierung.To make the statement of the small-gain theorem about the stability of, for example, three switching regulators less conservative, a transformation of the regular (N-1) simplex, with N = 3 for the three-dimensional case, in the value range of 0 ≤ β n ≦ 1 describing weighting factors β n in a (N-1) -dimensional hypercube by means of variables δ k in the value range of -1 ≦ δ k ≦ 1. In addition, a scaling occurs.

Durch die Bedingung, dass die Summe aller Wichtungsfaktoren βn = 1 ist, existiert eine lineare Abhängigkeit der Wichtungsfaktoren βn. Durch die Transformation vom regulären (N – 1)-Simplex in einen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel werden die Wichtungsfaktoren βn in eine Darstellung mit den Variablen δk mit k = 1 bis N – 1 umgeformt. Die Variablen δk sind linear unabhängig im Intervall –1 ≤ δk ≤ 1 gültig und beschreiben den gleichen Zusammenhang.Due to the condition that the sum of all weighting factors β n = 1, there is a linear dependence of the weighting factors β n . By transforming the regular (N - 1) simplex into an (N - 1) -dimensional hypercube, the weighting factors β n are transformed into a representation with the variables δ k with k = 1 to N-1. The variables δ k are valid linearly independent in the interval -1 ≤ δ k ≤ 1 and describe the same relationship.

4a zeigt die Darstellung des durch die Wichtungsfaktoren βn aufgespannten regulären (N – 1)-Simplex für den dreidimensionalen Fall, während 4b die transformierte Darstellung des durch die linear unabhängigen Variablen δk aufgespannten (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfels mit N = 3 zeigt. 4a shows the representation of the β by the weighting factors n spanned regular (N - 1) simplex of the three-dimensional case, while 4b shows the transformed representation of the (N - 1) -dimensional hypercube with N = 3 spanned by the linearly independent variable δ k .

Die Transformationsvorschrift für die Wichtungsfaktoren βn lautet:

Figure 00090001
mit: –1 ≤ δk ≤ 1 und k = 1 bis (N – 1). The transformation rule for the weighting factors β n is:
Figure 00090001
With: -1 ≤ δ k ≤ 1 and k = 1 to (N-1).

e n ist der n-te Einheitsvektor mit dem Wert 1 in der n-ten Zeile und ansonsten den Werten 0. Der Betrag des Einheitsvektors ist daher gleich eins. e n is the nth unit vector with the value 1 in the nth row and otherwise the values 0. The magnitude of the unit vector is therefore equal to one.

n ist der n-te transformierte Einheitsvektor, dessen Betrag ungleich eins ist. n is the nth transformed unit vector whose magnitude is not one.

Die transformierten Einheitsvektoren n berechnen sich rekursiv wie folgt:

Figure 00100001
The transformed unit vectors n are calculated recursively as follows:
Figure 00100001

Die transformierte Regelstrecke ist dann:

Figure 00100002
The transformed controlled system is then:
Figure 00100002

Der transformierte Gesamtregler ist dann:

Figure 00100003
The transformed total controller is then:
Figure 00100003

Für den Fall N = 3 ergeben sich somit die Wichtungsfaktoren βn wie folgt: For the case N = 3, the weighting factors β n thus result as follows:

Figure 00100004
Figure 00100004

Dieses Ergebnis folgt aus den transformierten EinheitsvektorenThis result follows from the transformed unit vectors

Figure 00110001
Figure 00110001

Dann ergibt sich für die transformierten Wichtungsfaktoren βn:

Figure 00110002
Then, for the transformed weighting factors β n :
Figure 00110002

Der interpolierte Regler ergibt sich dann zu:

Figure 00110003
The interpolated controller then results in:
Figure 00110003

Die interpolierte Regelstrecke berechnet sich dann zu: Ĝ = 1 / 4[[1 – δ2 – δ1(1 – δ2)]G 1 + [1 – δ2 + δ1(1 – δ2)]G 2 + 2(1 + δ2)G 3] The interpolated controlled system is then calculated as: Ĝ = 1/4 [[1 - δ 2 - δ 1 (1 - δ 2 )] G 1 + [1 - δ 2 + δ 1 (1 - δ 2 )] G 2 + 2 (1 + δ 2 ) G 3 ]

5 zeigt die Umsetzung des transformierten Regelkreises in ein Blockdiagramm, das den weniger konservativ bewerteten und dennoch stabilen Regelkreis zeigt. 5 shows the implementation of the transformed control loop in a block diagram showing the less conservative evaluated yet stable control loop.

Wenn nun die Variablen δk, d. h. die Matrix Δ ebenfalls separiert und aus dem Regelkreis herausgezogen wird, ergibt sich ein zusammengefasster, in 6 skizzierter Regelkreis M.If now the variables δ k , ie the matrix Δ also separated and pulled out of the control loop, there is a summarized, in 6 sketched control loop M.

Die Prüfung dieses Regelkreises auf Stabilität mit Hilfe des Small-Gain-Theorems ergibt Resultate, die weniger konservativ sind als zuvor.Testing this loop for stability using the small-gain theorem yields results that are less conservative than before.

Eine weitere Reduktion der Konservativität lässt sich mit der Einführung einer Skalierungsmatrix

Figure 00120001
mit E = Einheitsmatrix dk ∊ |R, dk > 0 erreichen. Die Größe nu ist die Anzahl der Stellgrößen.A further reduction in conservatism can be achieved with the introduction of a scaling matrix
Figure 00120001
with E = unit matrix dk ε | R, dk > 0 to reach. The size n u is the number of manipulated variables.

Die Skalierungsmatrix D wird in den Regelkreis gemäß 6 eingebracht. Hieraus ergibt sich ein zusammengefasster Regelkreis M mit der Skalierungsmatrix D, der in 7 skizziert ist.The scaling matrix D is in the control loop according to 6 brought in. This results in a combined control loop M with the scaling matrix D , which in 7 outlined.

Durch die Skalierungsmatrix D wird das eigentliche Regelsystem nicht verändert. Es gilt jedoch: ||DMD –1|| < ||M|| The scaling matrix D does not change the actual control system. However: || DMD -1 || <|| M ||

Mit Hilfe dieser Maßnahme lässt sich die Aussage des Small-Gain-Theorems noch weiter verschärfen und die Konservativität nochmals senken.With the help of this measure, the statement of the small-gain theorem can be further tightened and the conservatism lowered even further.

Die Einbringung einer Skalierungsmatrix D ist einer μ-Robustheitsanalyse entnommen. Die Berechnung der Skalierungsmatrix D geschieht in der Berechnung des Wertes μ für die Übertragungsmatrix M (JωD) mit der Kreisfrequenz ωD. Die Kreisfrequenz ωD wird so gewählt, dass sie die Frequenz ist, an der der Verlauf des maximalen Singulärwertes des zusammengefassten Regelkreises M sein Maximum erreicht.The introduction of a scaling matrix D is taken from a μ-robustness analysis. The calculation of the scaling matrix D occurs in the calculation of the value μ for the transmission matrix M (Jω D ) with the angular frequency ω D. The angular frequency ω D is chosen such that it is the frequency at which the profile of the maximum singular value of the combined control loop M reaches its maximum.

8 lässt ein Flussdiagramm des Ablaufs der Prüfung der Stabilität der Umschaltung von N-Reglern erkennen. 8th gives a flowchart of the procedure of checking the stability of the switching of N-controllers.

In einem ersten Schritt a) werden die Regler und Strecken den einzelnen Reglern R n und G n zugeordnet.In a first step a) the controllers and paths are assigned to the individual controllers R n and G n .

Im Schritt b) wird dann der zusammengefasste Regelkreis M gebildet.In step b), the combined control loop M is then formed.

Im Schritt c) wird die Frequenz des maximalen Singulärwertes gesucht, d. h. die Frequenz, an der der Verlauf des maximalen Singulärwertes des zusammengefassten Regelkreises M sein Maximum erreicht.In step c), the frequency of the maximum singular value is searched for, ie the frequency at which the profile of the maximum singular value of the combined control loop M reaches its maximum.

Darauf hin wird im Schritt d) die Skalierungsmatrix D wie oben beschrieben berechnet.Then in step d) the scaling matrix D is calculated as described above.

Im Schritt e) wird dann geprüft, ob die Bedingung ||DMD –1|| < 1 ist.In step e) it is then checked whether the condition || DMD -1 || <1 is.

Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt f) festgestellt, dass die Reglerumschaltung stabil ist Ansonsten erfolgt ein erneuter Durchlauf des Verfahrens durch Rücksprung zu Schritt a).If this is the case, it is determined in step f) that the controller switching is stable. Otherwise, the method is re-run by returning to step a).

Wenn alle Kombinationen getestet wurden und keine stabile Reglerumschaltung gefunden wurde, wird im Schritt g) das Ergebnis erhalten, dass die Umschaltung im Dreieck instabil ist.If all combinations have been tested and no stable controller switching has been found, the result in step g) is that the switching in the triangle is unstable.

Die Reglerstruktur sowie das Verfahren wird nachfolgend anhand einer Regelung von Strukturschwingungen bei Robotern weiter erläutert. Das Schwingungsverhalten von Robotern ist über ihren Arbeitsraum nicht konstant, sondern ändert sich teilweise stark. Zur Beschreibung des Verhaltens werden die Arbeitspunkte in einer Ebene dargestellt. An jedem Arbeitspunkt wird das Verhalten des Roboters gemessen und in Form der Regelstrecke G n gespeichert. Für jeden Arbeitspunkt n wird ein Regler R n ausgelegt.The controller structure and the method will be further explained below by means of a control of structural vibrations in robots. The vibration behavior of robots is not constant over their working space, but changes sometimes strongly. To describe the behavior, the work points are displayed in one level. At each operating point, the behavior of the robot is measured and stored in the form of the controlled system G n . For each operating point n, a controller R n is designed.

Die Arbeitsraumeinteilung des Roboters ist in der 9 für die y-z-Ebene beispielhaft dargestellt. Die Arbeitspunkte liegen dabei im Bereich von –0,2 bis +0,2 m sowohl für die Y- als auch für die Z-Achse.The workspace division of the robot is in the 9 shown as an example for the yz plane. The operating points are in the range of -0.2 to +0.2 m for both the Y and Z axes.

Es ist erkennbar, dass die Arbeitspunkte stets Dreiecke aufspannen. Mit dem oben beschriebenen transformierten Regelkreis ist eine stabile Umschaltung der Regler zwischen den Arbeitspunkten möglich.It can be seen that the working points always span triangles. With the transformed control loop described above, a stable switching of the controller between the operating points is possible.

10 lässt einen beispielhaften Verlauf des maximalen Singularwertes des zusammengefassten Regelkreises M bei unterschiedlichen Regelansätzen erkennen. Die durchgezogene Linie entspricht dabei dem herkömmlichen Ansatz mit Wichtungsfaktoren βn, die ein reguläres (N – 1)-Simplex aufspannen. Die Strichlinie beschreibt den Ansatz mit transformierten Wichtungsfaktoren mit Hilfe der Variablen δk, die einen (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel aufspannen. Die Strich-Punkt-Linie zeigt das Verhalten mit transformierten und skalierten Wichtungsfaktoren unter Verwendung der Variablen δk, die den (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel aufspannen und skaliert sind. 10 allows an exemplary course of the maximum singular value of the combined control loop M to be recognized in the case of different control approaches. The solid line corresponds to the conventional approach with weighting factors β n , which span a regular (N-1) simplex. The dashed line describes the transformed weighting factor approach using variables δ k that span an (N-1) -dimensional hypercube. The dash-dot line shows the behavior with transformed and scaled weighting factors using the variable δ k , which span the (N-1) -dimensional hypercube and are scaled.

Der Maximalwert einer Kurve entspricht dem Wert der H-∞-Norm des Zustands Raum-Modells des zusammengefassten Regelkreises M. Damit das System stabil ist, muss dieser Wert und somit die gesamte Kurve unter dem Wert eins liegen.The maximum value of a curve corresponds to the value of the H-∞ norm of the state space model of the combined control loop M. For the system to be stable, this value and therefore the entire curve must be below the value one.

Die durchgezogene Kurve ist der Singulärwertverlauf des zusammengefassten Regelkreises M, der gemäß 1 mit Wichtungsfaktoren βn in dem Wertebereich von 0 ≤ βn ≤ 1 aufgebaut ist. Der Maximalwert von über sechs besagt, dass das System wert entfernt von einer stabilen Umschaltung ist.The solid curve is the singular value curve of the combined control loop M , according to FIG 1 with weighting factors β n in the value range of 0 ≤ β n ≤ 1. The maximum value of more than six indicates that the system value is removed from stable switching.

Nach der Transformation der Wichtungsfaktoren βn in den (N – 1)-dimensionalen Hyperwürfel unter Verwendung der Variablen δk im Wertebereich von –1 ≤ δk ≤ 1 und einem Aufbau des zusammengefassten Regelkreises M nach 8 ergibt sich der gestrichelte Singulärwertverlauf. Der Maximalwert von drei besagt wiederum, dass das System nicht stabil ist. Die Berechnung einer geeigneten Skalierungsmatrix D und die Multiplikation mit dem zusammengefassten Regelkreis M erzeugen einen Singulärwerteverlauf (Strich-Punkt), der unter eins liegt und im System Stabilität bei einer Umschaltung bescheinigt.After the transformation of the weighting factors β n into the (N-1) -dimensional hypercubes using the variable δ k in the value range of -1 ≦ δ k ≦ 1 and a construction of the combined control loop M after 8th the dashed singular value curve results. The maximum of three indicates that the system is not stable. The calculation of a suitable scaling matrix D and the multiplication with the combined control loop M generate a singular value curve (dash-dot) which lies below one and certifies stability in the system during a switchover.

Das in 10 gezeigte Ergebnis der Stabilitätsuntersuchung bei an sich unverändertem Regelkreis ist dahingehend zu verstehen, dass das System tatsächlich für alle drei Ansätze stets stabil bei der Umschaltung gewesen ist. Die beiden ersten Ansätze haben jedoch zu konservative Aussagen geliefert, um dieses zu erkennen, so dass eine Stabilitätsreserve ungenutzt blieb.This in 10 The result of the stability test shown with the control loop as such is to be understood as meaning that the system has always been stable in the switchover for all three approaches. The first two approaches, however, have yielded conservative statements in order to recognize this, so that a stability reserve remained unused.

Claims (5)

Verfahren zur Reduzierung von Strukturschwingungen mit einem Regelkreis mittels schwingungsbeeinflussenden Aktoren, die durch Regler (Rn) angesteuert werden, wobei der Regelkreis durch eine Anzahl N von Reglern (Rn) und eine der Anzahl N von Reglern (Rn) entsprechenden Anzahl von Regelstrecken (Gn) definiert ist und die Regler (Rn) und Regelstrecken (Gn) durch eine Anzahl N von zugeordneten, linear voneinander abhängigen Wichtungsfaktoren (βn) gewichtet sind, wobei die Stabilitätsbewerkung des Regelkreises anhand der Kriterien durchgeführt wird, – dass die Summe der Wichtungsfaktoren (βn) gleich eins ist und – dass die Wichtungsfaktoren (βn) in neue Wichtungsfaktoren (δn) durch Transformation aus einer Anzahl von Variablen im Wertebereich von –1 bis 1 nach der Transformationsvorschrift
Figure 00160001
abgebildet werden, wobei β der N-dimensionale Vektor mit den Vektor elementen βn, e n in die n-te Dimension weisende Einheitsvektoren mit der Länge eins und n transformierte Einheitsvektoren sind, wobei die transformierten Einheitsvektoren n durch die rekursive Vorschrift
Figure 00160002
für n = 1...N – 1 und mit δ0 und 0 gleich Null festgelegt sind, – dass ||M|| ≤ 1 wobei ||M|| dem Regelkreis entspricht, wenn die neuen Wichtungsfaktoren (δn) aus dem Regelkreis separiert werden.
A method for reducing structural vibrations with a control loop by means of vibration-influencing actuators, which are controlled by regulators (R n ), wherein the control loop by a number N of controllers (R n ) and one of the number N of controllers (R n ) corresponding number of controlled systems (G n ) is defined and the controllers (R n ) and controlled systems (G n ) are weighted by a number N of assigned, linearly dependent weighting factors (β n ), wherein the stability assessment of the control loop is carried out on the basis of the criteria the sum of the weighting factors (β n ) is equal to one, and that the weighting factors (β n ) are transformed into new weighting factors (δ n ) by transforming a number of variables in the value range from -1 to 1 according to the transformation rule
Figure 00160001
where β is the N-dimensional vector with the vector elements β n , e n unit vectors having the length one and n transformed into the n-th dimension, the transformed unit vectors n being the recursive rule
Figure 00160002
for n = 1 ... N - 1 and with δ 0 and 0 are set equal to zero, - that || M || ≤ 1 where || M || corresponds to the control loop when the new weighting factors (δ n ) are separated from the control loop.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Skalierung des die transformierten Wichtungsfaktoren (δn) enthaltenden Regelkreises.Method according to Claim 1, characterized by scaling of the control loop containing the transformed weighting factors (δ n ). Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Skalierung des Regelkreises M mit einer Skalierungsmatrix D nach der Bedingung
Figure 00170001
mit den Skalierungsfaktoren dk ∊ |R|, dk > 0 und der Einheitsmatrix E mit der Anzahl nu von Stellgrößen.
Method according to Claim 2, characterized by scaling the control loop M with a scaling matrix D according to the condition
Figure 00170001
with the scaling factors d k ε | R |, d k > 0 and the unit matrix E with the number n u of manipulated variables.
Regelungseinrichtung zur Reduzierung von Strukturschwingungen mit einer Mehrzahl von Reglern (Rn) für eine der Anzahl N von Reglern (Rn) entsprechenden Anzahl von Regelstrecken (Gn), wobei die Regelungseinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.Control device for reducing structural vibrations with a plurality of regulators (R n ) for a number of control paths (G n ) corresponding to the number N of controllers (R n ), the control device being adapted to carry out a method according to one of the preceding claims. Regelungseinrichtung nach Anspruch 4 zur Regelung nichtlinearer Regelstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler (Rn) ausgelegt sind, um das Verhalten der Regelstrecken (Gn) jeweils an zugeordneten Arbeitspunkten zu linearisieren, und die Regelungseinrichtung zur Regelung in Arbeitsbereichen um die jeweiligen Arbeitspunkte herum mit mindestens einem jeweils für den Arbeitsbereich vorgesehenen Regler (Rn) und zum Umschalten zwischen den Reglern (Rn) an Arbeitsbereichsgrenzen durch Regelung mit einer Interpolation von Reglern (Rn) für die an Arbeitsbereichsgrenzen benachbarten Arbeitspunkte eingerichtet ist.Control device according to claim 4 for controlling non-linear controlled systems, characterized in that the controllers (R n ) are designed to linearize the behavior of the controlled systems (G n ) at respective operating points, and the control device for control in work areas around the respective operating points around is set up with at least one respective controller (R n ) provided for the work area and for switching between the controllers (R n ) at working range limits by regulation with an interpolation of controllers (R n ) for the operating points adjacent to working range limits.
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Title
RAISCH, Jörg: Mehrgrößenregelung im Frequenzbereich. Technische Universität Berlin, Berlin basierend auf eine nahezu unveränderte Reproduktion eines Lehrbuchs, Oldenbourg Verlag, 1994, URL: http://www.control.tu-berlin.de/wiki/images/8/80/Mehrgroessenregelung_im_Frequenzbereich.pdf, abgerufen am 06.07.2011 *

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