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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Regelungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.
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In hydraulischen Anwendungen, wie z. B. Druckregelungen oder bei hydraulischen Positionssteuerungen, werden herkömmlicherweise PID-Regler eingesetzt (PID-Regler = ”Proportional-Integral-Derivative Controller”), welche ein proportionales P-Glied mit proportionalem Anteil der Verstärkung, ein integrierendes I-Glied mit zeitlicher Integration der Regelabweichung auf die Stellgröße sowie ein differenzierendes D-Glied, welches auf die Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung reagiert, aufweisen. Dabei wird im PID-Regler über eine Vergleichsstelle eine Regeldifferenz gebildet, die dann den verschiedenen Regelanteilen zur weiteren Signalverarbeitung vorliegt. Das Ergebnis wird über eine Summenbildung zur Stellgröße verarbeitet. Des Weiteren ist es auch bekannt, einen Regler mit Vorsteuerung zu verwenden, bei dem nur die Abweichungen gegenüber dem erwarteten Stellverhalten ausgeregelt werden. Hierbei wird der Schleppfehler konstant gehalten oder ist proportional zur Geschwindigkeit, so dass dieser von einer übergeordneten Steuerung berücksichtigt werden kann.
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Dabei erweisen sich in der Praxis die verschiedenen Parameter (”P”, ”I”, ”D” sowie Hilfsgrößen), die im PID-Regler eingestellt werden müssen, häufig insofern als nachteilig, als die erforderliche sorgfältige Parametereinstellung einen nicht unerheblichen Zeitaufwand erfordert und, insbesondere wenn sie wie häufig unter Zeitdruck erfolgt, den Kunden vor Ort überfordern kann. Wird jedoch die Parametereinstellung nicht sorgfältig vorgenommen, kann eine ungenügende Einstellung des Reglers die Folge sein, so dass dieser entweder zu träge arbeitet oder zu Überschwingern neigt.
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Aus der
DE 1 551 038 C ist eine Anordnung zur Messung des von einer Kondensationsdampfturbine geforderten Dampfdurchflusses und zur Ableitung einer Störgröße für die Regelung am Dampfkessel bekannt, wobei der Quotient aus dem Sollwert und dem Istwert des Frischdampfdruckes in einer elektrischen Rechenschaltung gebildet und dem Druckregler bzw. dem Speisewasserregler des Kessels aufgeschaltet ist, wobei die eigentliche Regelung auf Basis einer Regeldifferenz zwischen Sollwert und Istwert erfolgt.
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Aus der
DE 33 40 722 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Elektroschweißvorganges bekannt, wobei insbesondere der Schweißstrom als der Regelung zugrunde gelegter Parameter gewählt wird, wobei der Schweißstrom-Sollwert durch Multiplikation der Führungsgröße mit dem Signal für den Schweißgeschwindigkeits-Istwert und Division durch das Signal für den Schweißspannungs-Istwert erhalten wird. Eine Multiplikation mit dem aktuellen Verstärkungsfaktor ist nicht vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2006 014 352 B3 ist ein Kraftfahrzeug-Steuergerät mit einem digitalen Regelkreis bekannt, wobei im Rückkoppelzweig des digitalen Regelkreises mindestens ein adaptives Korrekturfilter vorgesehen ist, dessen Filterzeit aufgrund der Pegeländerung eines Sollwertstroms dynamisch einstellbar ist.
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Regler sowie ein Regelungsverfahren bereitzustellen, welche in vergleichsweise kurzer Zeit die Einstellung eines robusten Regelungsverhaltens ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Regler gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie ein Regelungsverfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 7 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Regler zur Ansteuerung wenigstens eines Stellglieds in einer Regelungsanordnung unter Erzeugung einer Stellgröße, zur Reduzierung einer Regelabweichung zwischen einem Istwert einer Regelgröße und einem Sollwert dieser Regelgröße, ist dazu ausgelegt, die Stellgröße ausschließlich basierend auf einer Multiplikation des Sollwertes mit einem Verstärkungsfaktor zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, die bei herkömmlichen Reglern übliche Addition bzw. Subtraktion zur Ermittlung der Stellgröße durch eine Multiplikation zu ersetzen, bei welcher der Sollwert mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die erfindungsgemäße Regelung letztendlich mit nur einem einstellbaren Parameter auskommt, nämlich der Zeitkonstante, welche die Reaktionsträgheit des Systems charakterisiert. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass sich in der Praxis häufig nicht die genaueste und dynamischste Regelung als optimal erweist, sondern diejenige Regelung, die in möglichst kurzer Zeit ein zufriedenstellendes Ergebnis liefert. Die Erfindung verfolgt somit insbesondere nicht das Ziel, in jedem Falle bessere Regelergebnisse zu erzielen als bei einem optimal abgeglichenen PID-Regler, aber ein Regelkonzept zu schaffen, bei dem die erforderlichen Einstellungen schneller erreicht werden und der Regler sich zugleich vergleichsweise robust verhält.
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Zugleich wird auch ein weniger erfahrener Spezialist in die Lage versetzt, den Regelkreis hinreichend sorgfältig einzustellen bzw. zu zufriedenstellenden Regelungsergebnissen zu kommen.
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Der erfindungsgemäße Regler kann grundsätzlich in allen Anwendungen mit einem proportionalen Regelungsstreckenverhalten eingesetzt werden. Beispielhafte Anwendungen sind die Druckregelung von hydraulischen Systemen, die Druckregelung mit Servopumpen, Drehzahlregelungen, Geschwindigkeitsregelungen, die sogenannte unterlagerte Systemlinearisierung von Positionierachsen sowie die unterlagerte Systemlinearisierung von Gleichlaufregelsystemen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Anwendungen beschränkt, sondern auch auf Regelungen in anderen Technologiebereichen anwendbar.
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Erfindungsgemäß ist der Regler dazu ausgelegt, den Verstärkungsfaktor basierend auf einer Division eines auf dem Sollwert beruhenden Wertes durch den Istwert zu berechnen. Auf diese Weise kann eine adaptive Steuerung realisiert werden, die infolge ihrer einfachen Struktur auch gut zur Selbstparametrisierung geeignet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Regler einen einzigen einstellbaren Parameter auf, wobei dieser Parameter einer die Reaktionszeit des Systems berücksichtigenden Zeitkonstante entspricht. Infolge der einfachen Ableitung der Regeleinstellung von der dominierenden Zeitkonstante der Regelstrecke ist eine einfachere und schnellere Einstellung des Reglers möglich, insbesondere wenn die Regelungsstreckendynamik nicht bekannt ist und eine ”ad hoc”-Einstellung erfolgen muss. Da hierbei nur ein einziger Parameter eingestellt werden muss, sind komplexe Analyseverfahren nicht notwendig. Die erfindungsgemäße Regelungsstruktur bietet hierbei eine gute Basis für selbsteinstellende Systeme.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Regler ausgelegt, den auf dem Sollwert beruhenden Wert dadurch zu ermitteln, dass der Sollwert einer ersten Signalverarbeitungseinheit zur Berücksichtigung der Reaktionszeit des Systems zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist der Regler ferner dazu ausgelegt, den Verstärkungsfaktor dadurch zu ermitteln, dass der durch Division des auf dem Sollwert beruhenden Wertes durch den Istwert erhaltene Ausgangswert einer zweiten Signalverarbeitungseinheit zugeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Signalverarbeitungseinheit und/oder die zweite Signalverarbeitungseinheit ein Verzögerungsglied erster Ordnung auf.
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Erfindungsgemäß weist die zweite Signalverarbeitungseinheit eine Multiplikationseinheit zur Multiplikation des durch Division des auf dem Sollwert beruhenden Wertes durch den Istwert erhaltenen Ausgangswertes mit dem aktuellen Verstärkungsfaktor des Reglers auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die zweite Signalverarbeitungseinheit einen Bereichsbegrenzer auf.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Regelungsverfahren zur Ansteuerung wenigstens eines Stellglieds in einer Regelungsanordnung unter Erzeugung einer Stellgröße, zur Reduzierung einer Regelabweichung zwischen einem Istwert einer Regelgröße und einem Sollwert dieser Regelgröße, wobei die Stellgröße basierend auf einer Multiplikation des Sollwertes mit einem Verstärkungsfaktor erzeugt wird.
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Zu bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteilen des Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regler Bezug genommen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Erläuterung des allgemeinen Aufbaus und der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Reglers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren, konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reglers; und
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3 ein Diagramm zur Erläuterung eines Anwendungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reglers für den Fall einer Schleppfehlerregelung.
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1 zeigt zunächst ein Diagramm zur Erläuterung des allgemeinen Aufbaus und der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Reglers 100.
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Gemäß 1 wird ein Sollwert w einer Multiplikationseinheit 105 zugeführt, in welcher dieser Sollwert w mit einem Verstärkungsfaktor Ku multipliziert wird, um die Stellgröße u zu ermitteln. Die Stellgröße u wird somit erfindungsgemäß wie folgt ermittelt: u = w·KU(t-1) (1)
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Der Verstärkungsfaktor K
u wird gemäß
1 berechnet, indem der Sollwert w zunächst einer Signalverarbeitungseinheit
110 in Form eines Verzögerungsglieds erster Ordnung (sogenanntes PT1-Glied) zur Berücksichtigung der Reaktionszeit des Systems zugeführt wird. Der so erhaltene, auf dem Sollwert w basierende bzw. an das zeitliche Verhalten der Regelung angeglichene Wert wird als w
t1 bezeichnet, d. h. es gilt:
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Dabei bezeichnen t1.1 die Zeitkonstante des Filters PT1 in der Signalverarbeitungseinheit 110 und ts die (dominierende) Zeitkonstante des Systems.
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Der Wert w
t1 wird einer Divisionseinheit
120 zugeführt, in welcher der Wert w
t1 durch den Istwert i dividiert wird. Der durch Division des auf dem Sollwert w beruhenden Wertes w
t1 durch den Istwert i erhaltene Ausgangswert ist mit ”ef” bezeichnet, d. h. es gilt:
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Dieser Ausgangswert ”ef” wird einer zweiten Signalverarbeitungseinheit 125 zugeführt. Die Signalverarbeitungseinheit 125 kann den im Weiteren unter Bezugnahme auf 2 noch detaillierter erläuterten Aufbau aufweisen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann als Signalverarbeitungseinheit 125 auch ein Integrator eingesetzt werden. Generell kann als Signalverarbeitungseinheit 125 auch ein beliebiges Kompensationsglied (PID-Regler) eingesetzt werden.
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Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit 125 ist der Verstärkungsfaktor Ku, welcher in der Multiplikationseinheit 105 gemäß 1 mit dem Sollwert w zum Erhalt der Stellgröße u gemäß der obigen Gleichung (1) multipliziert wird.
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2 zeigt zunächst ein Diagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reglers 200, wobei zu 1 entsprechende bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Elemente mit entsprechenden, um ”100” erhöhten Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Der Regler 200 unterscheidet sich von dem Regler 100 aus 1 lediglich durch den konkreten Aufbau der Signalverarbeitungseinheit 225, welche gemäß 2 zunächst eine Multiplikationseinheit 230 zur Multiplikation des durch Division des auf dem Sollwert beruhenden Wertes wt1 durch den Istwert i erhaltenen Ausgangswertes ef mit dem aktuellen Verstärkungsfaktor Ku des Reglers 200 aufweist. Der so erhaltene Ausgangswert der Multiplikationseinheit 230 wird einem weiteren Verzögerungsglied erster Ordnung 240 (sogenanntes PT1-Glied) zur Berücksichtigung der Reaktionszeit des Systems, sowie einem Bereichsbegrenzer 250 als weiteren Komponenten der Signalverarbeitungseinheit 225 zugeführt.
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Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit 225 ist analog zu 1 der Verstärkungsfaktor Ku, welcher gemäß Gleichung (4) ermittelt wird und in der Multiplikationseinheit 205 gemäß 1 mit dem Sollwert w zum Erhalt der Stellgröße u multipliziert wird. KU(t) = PT1.2(KU(t-1)·ef); mit t1.2 = ts (4)
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Tests des erfindungsgemäßen Reglers in der Simulation sowie an einem hydraulischen Prüfstand zeigten verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu einer herkömmlichen PID-Regelung, wobei sich der erfindungsgemäße Regler insbesondere durch ein stabiles Verhalten über einen weiten Dynamikbereich, das einfache Einstellen des Reglers anhand eines einzigen Parameters, ein weitestgehend überschwingfreies Anfahren der Regelgröße sowie ein vollständiges Ausregeln von Fehlern auszeichnete.
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3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reglers aus 2 für den Fall einer Schleppfehlerregelung an einem Positionierantrieb zur unterlagerten Kompensation von nichtlinearen Anteilen. Die Nichtlinearität macht sich bei solchen Antrieben besonders durch die variierende Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Schleppfehler bemerkbar. Da der Soll-Schleppfehler bekannt ist, kann mittels der erfindungsgemäßen Regelung wie im Weiteren erläutert der Ist-Schleppfehler an den Soll-Schleppfehler angeglichen werden.
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Hierbei wird davon ausgegangen, dass beispielsweise bei einer hydraulischen Positionssteuerung ein natürlicher Fehler zwischen der Sollposition und der Ist-Position entsteht, welcher als Schleppfehler bezeichnet wird. Wenn nun externe Kräfte (z. B. Bearbeitungskräfte) angreifen, so ändert sich das Systemverhalten, wobei sich die Streckenverstärkung verringert und der Schleppfehler sich vergrößert. Ein konstanter bzw. geschwindigkeitsproportionaler Schleppfehler ist notwendig, um die reale Position auch unter Lastbedingungen zu berechnen und ggf. zu kompensieren.
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Erfindungsgemäß wird nun anhand eines Fehlerfaktors zwischen einem Sollschleppfehler e_cmd und dem aktuellen (Ist-)Schleppfehler e_act die Abweichung der Streckenverstärkung berechnet und mit der eingestellten Dynamik ausgeglichen. Gemäß 3 wird davon ausgegangen, dass in einem Profilgenerator 300 der Sollschleppfehler e_cmd bekannt und der aktuelle Schleppfehler e_act mit guter Signalauflösung messbar ist. Über den erfindungsgemäßen Regler 200 wird nun die vorstehend beschriebene Verstärkungsänderung wieder ausgeglichen, so dass der Schleppfehler konstant bleibt.
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Die mathematische Beschreibung der Regelung gemäß
3 ist analog zu derjenigen
1 und
2 in den Gleichungen (5)–(8) angegeben, wobei e
cmd den (berechneten) Soll-Schleppfehler (in Einheiten von mm), e
act den aktuellen (Ist-)Schleppfehler (in Einheiten von mm), v
cmd die Sollgeschwindigkeit (in Einheiten von mm/s) und V
loop die Regelkreisverstärkung (in Einheiten von 1/s) bezeichnen.
KU(t) = PT1.2(KU(t-1)·ef); mit t1.2 = ts (7) y = eact·KU(t-1) (8) -
Die Aufgabe des Reglers 200 besteht in der Anordnung von 3 darin, die zu regelnde Strecke zu linearisieren. Der übergeordnete Regler kann weiterhin als klassischer P-Regler realisiert werden. Aus Sicht der übergeordneten Steuerung verhält sich die zu regelnde Strecke linear. Die typischen Positionierachsen und NC Steuerungen arbeiten nach dem Prinzip der Nachlaufregelung. Es wird eine zeitabhängige Sollposition in den Steuerungen generiert, der dann die Positionierachse folgen soll.
