DE102020116218A1 - Method and device for operating a technical system - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur approximativen Lösung eines instantanen Regelungsproblems bereitgestellt. Die prinzipielle Vorgehensweise basiert dabei darauf, ein momentenerzeugendes und/oder kumulantenerzeugendes Funktional zu formulieren, welches in eine Potenzreihe definierter Ordnung entwickelt wird. Die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Stellgröße ist die, die jeweiligen Potenzreihen bei einer niedrigen Ordnung abzubrechen und die entstehenden Gleichungen nach der Differenz zwischen tatsächlichem Wert der Stellgröße und deren Sollwert aufzulösen. Diese Lösung kann dann jeweils zur Auswertung der Restglieder der jeweiligen Potenzreihen verwendet werden, wobei dann der Wert zur Regelung verwendet wird, der das jeweils kleinere Restglied aufweist. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens besteht darin, dass vergleichsweise einfache Ausdrücke zur Regelung verwendet werden können, ohne hierbei Einbußen bei der Genauigkeit in Kauf nehmen zu müssen, d. h. erfindungsgemäß werden eine hohe Regelgüte, wie sie von numerischen Ansätzen erwartet wird, mit der Fähigkeit, diese auf eingebetteten Systemen mit geringer Rechenleistung zu implementieren, kombiniert. Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur approximativen Lösung eines dynamischen Regelungsproblems bereitgestellt. Eine entsprechende Vorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere Bestandteil eines Fahrzeuges.According to the invention, a method for the approximate solution of an instantaneous control problem is provided. The basic procedure is based on formulating a moment-generating and / or cumulant-generating functional that is developed into a power series of a defined order. The procedure for determining the manipulated variable is to break off the respective power series at a lower order and to solve the resulting equations according to the difference between the actual value of the manipulated variable and its setpoint. This solution can then be used in each case to evaluate the remainder of the respective power series, in which case the value that has the respective smaller remainder is used for regulation. The great advantage of the procedure according to the invention is that comparatively simple expressions can be used for regulation without having to accept any loss of accuracy, i.e. H. According to the invention, a high control quality, as expected from numerical approaches, is combined with the ability to implement this on embedded systems with low computing power. According to the invention, a method for the approximate solution of a dynamic control problem is also provided. A corresponding device is also proposed. Such a device is in particular part of a vehicle.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines technischen Systems mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.The present invention relates to a method and a device for operating a technical system having the features according to the patent claims.
Gemäß der
Problematisch ist stets die Eignung solcher Verfahren im Zusammenhang mit Regelungsproblemen bei eingebetteten Systemen, da diese Verfahren numerische Lösungen nicht erlauben und auf analytische Funktionen angewiesen sind.The suitability of such methods in connection with control problems in embedded systems is always problematic, since these methods do not allow numerical solutions and are dependent on analytical functions.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend vom Stand der Technik ein verbessertes Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zum Betreiben eines technischen Systems bereitzustellen.It is the object of the present invention, proceeding from the prior art, to provide an improved method and an associated device for operating a technical system.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by a method and a device having the features according to the patent claims.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Verfahren zur approximativen Lösung eines instantanen Regelungsproblems bereitgestellt. Die prinzipielle Vorgehensweise basiert dabei darauf, ein momentenerzeugendes und/oder kumulantenerzeugendes Funktional zu formulieren, welches in eine Potenzreihe definierter Ordnung entwickelt wird. Die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Stellgröße ist die, die jeweiligen Potenzreihen bei einer niedrigen Ordnung abzubrechen und die entstehenden Gleichungen nach der Differenz zwischen tatsächlichem Wert der Stellgröße und deren Sollwert aufzulösen. Diese Lösung kann dann jeweils zur Auswertung der Restglieder der jeweiligen Potenzreihen verwendet werden, wobei dann der Wert zur Regelung verwendet wird, der das jeweils kleinere Restglied aufweist. Eine zentrale Erkenntnis hierbei ist durch den Umstand gegeben, dass eine endliche Potenzreihe eines erzeugenden Funktionals auf eine unendliche Teilsummation des jeweils anderen erzeugenden Funktionals führt und mithin über einen rein perturbativen Zugang weit hinausgeht. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens besteht darin, dass vergleichsweise einfache Ausdrücke zur Regelung verwendet werden können, ohne hierbei Einbußen bei der Genauigkeit in Kauf nehmen zu müssen, d. h. erfindungsgemäß werden eine hohe Regelgüte, wie sie von numerischen Ansätzen erwartet wird, mit der Fähigkeit, diese auf eingebetteten Systemen mit geringer Rechenleistung zu implementieren, kombiniert. So genügt häufig eine lineare Approximation des kumulantenerzeugenden Funktionals, der aber umgekehrt einer unendlichen Teilreihe des momentenerzeugenden Funktionals entspräche. Letztlich müssen zur Auswertung der Potenzreihen jeweils die entsprechenden Ableitungen der Modellfunktion bekannt sein. Dies kann entweder analytisch oder auch über Kennlinien implementiert werden.According to the invention, a method for the approximate solution of an instantaneous control problem is first provided. The basic procedure is based on formulating a moment-generating and / or cumulant-generating functional that is developed into a power series of a defined order. The procedure for determining the manipulated variable is to break off the respective power series at a lower order and to solve the resulting equations according to the difference between the actual value of the manipulated variable and its setpoint. This solution can then be used in each case to evaluate the remainder of the respective power series, in which case the value that has the respective smaller remainder is used for regulation. A central finding here is given by the fact that a finite power series of a generating functional leads to an infinite partial summation of the other generating functional and therefore goes far beyond a purely perturbative approach. The great advantage of the procedure according to the invention is that comparatively simple expressions can be used for regulation without having to accept any loss of accuracy, i.e. H. According to the invention, a high control quality, as expected from numerical approaches, is combined with the ability to implement this on embedded systems with low computing power. A linear approximation of the cumulant-generating functional is often sufficient, but conversely it would correspond to an infinite sub-series of the torque-generating functional. Ultimately, the corresponding derivatives of the model function must be known to evaluate the power series. This can be implemented either analytically or using characteristics.
Zusammenfassend ist der erfindungsgemäße Ansatz insbesondere geeignet für Regelungsprobleme bei eingebetteten Systemen, die numerische Lösungen nicht erlauben und auf analytische Funktionen angewiesen sind. Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur approximativen Lösung eines dynamischen Regelungsproblems bereitgestellt. Eine entsprechende Vorrichtung wird ebenfalls vorgeschlagen. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere Bestandteil eines Fahrzeuges.In summary, the approach according to the invention is particularly suitable for control problems in embedded systems that do not allow numerical solutions and are dependent on analytical functions. According to the invention, a method for the approximate solution of a dynamic control problem is also provided. A corresponding device is also proposed. Such a device is in particular part of a vehicle.
Im weiteren Verlauf wird zunächst eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines instantanen (Steuerungs- und/oder) Regelungsproblems gezeigt.In the further course, an application of the method according to the invention is shown using the example of an instantaneous (control and / or) regulation problem.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei technischen Systemen und/oder technischen Prozessen jeglicher Art angewendet werden, also zu deren Betrieb.The method according to the invention can be used in technical systems and / or technical processes of any kind, that is to say for their operation.
Hinsichtlich der Definition des Begriffes „technisches System“ sei beispielsweise auf G. Ropohl: Allgemeine Technologie: Eine Systemtheorie der Technik. München/Wien 1979 verwiesen. Die dort genannten Merkmale, welche ein technisches System charakterisieren, seien hiermit ausdrücklich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Hinsichtlich der Definition des Begriffes „technischer Prozess“ sei beispielsweise auf die
Da es sich bei dem zunächst betrachteten Regelungsproblem im Zusammenhang mit dem Betrieb eines technischen Systems/Prozesses um ein instantanes Regelungsproblem handelt, kann stets ein funktionaler Zusammenhang zwischen einer Stellgröße y und einer zu regelnden beziehungsweise zu steuernden Größe x gefunden werden, so dass gilt
Hierbei wird angenommen, dass die Stellgrößenfunktion Z(y) unendlich oft differenziert werden kann. Sowohl ƒ als auch Z können von zusätzlichen anderen Größen abhängen. Eine gesonderte Notation hierfür erfolgt aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht.It is assumed here that the manipulated variable function Z (y) can be differentiated infinitely often. Both ƒ and Z can depend on additional other quantities. There is no separate notation for this for reasons of clarity.
Es handelt sich hier insofern um ein instantanes Regelungsproblem, als eine Änderung in y instantan eine Änderung in Z und mithin in ƒ und x bewirkt. Eine zeitliche Übertragung oder Laufzeiteffekte finden keine explizite Berücksichtigung. Implizit können die Größen x, y und weitere im System auftretenden Größen natürlich zeitabhängig sein. Wichtig ist in diesem Zusammenhang ausschließlich, dass die Beziehung (1) zumindest näherungsweise Gültigkeit hat.This is an instant control problem insofar as a change in y causes an instant change in Z and therefore in ƒ and x. A transfer over time or runtime effects are not explicitly taken into account. The quantities x, y and other quantities occurring in the system can of course be implicitly time-dependent. In this context, it is only important that relationship (1) is at least approximately valid.
Das instantane Regelungsproblem ist gelöst, wenn es gelingt, eine inverse Funktion Z-1 zu finden, sodass gilt
In aller Regel ist eine solche inverse Funktion analytisch exakt nur in Sonderfällen ermittelbar. Aus diesem Grunde behilft man sich häufig damit, die Systemgleichungen um Betriebspunkte zu linearisieren. Solche Ansätze kommen auch bei dynamischen Regelungsansätzen zum Einsatz. Nachteilig an linearisierten Lösungen ist, dass die einzelnen Betriebspunkte dediziert ausgewertet und der verwendete Regler ausgelegt werden müssen. In vielen Fällen sind darüber hinaus die Systemgleichungen derart nichtlinear, dass eine Linearisierung nur schwer möglich ist und unter Verwendung großer Datenstrukturen (Kennfeldern), die ein hohes Maß an Speichervolumen erfordern, erfolgen muss. Aus diesem Grunde behilft man sich häufig mit nichtlinearen Lösungsmethoden zur Auffindung einer approximativen Lösung der Gestalt (2). Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen solchen Ansatz dar.As a rule, such an inverse function can only be determined analytically precisely in special cases. For this reason, one often makes do with linearizing the system equations around operating points. Such approaches are also used in dynamic control approaches. The disadvantage of linearized solutions is that the individual operating points must be evaluated in a dedicated manner and the controller used must be designed. In many cases, moreover, the system equations are so non-linear that linearization is only possible with difficulty and must be carried out using large data structures (characteristic maps) that require a high degree of storage volume. For this reason, non-linear solution methods are often used to find an approximate solution of the shape (2). The method according to the invention represents such an approach.
Zu einem Istwert der Stellgröße yist ergibt sich ein korrespondierender Istwert der Regelgröße xist. Weicht nun aber xist vom korrespondierenden Sollwert xsoll ab, so kann umgekehrt geschlossen werden, dass ein optimalerer Wert für die Stellgröße y gefunden werden kann, in dem Sinne, dass für diesen Wert die Differenz aus Soll- und Istwert der Regelgröße verschwindet. Dieser optimalere Wert für die Stellgröße y wird im weiteren Verlauf mit ysoll (Sollwert der Stellgröße) bezeichnet. Weiterhin wird eine Differenz zwischen dem Istwert der Stellgröße yist und dem Sollwert der Stellgröße ysoll definiert als
Unter Zugrundelegung eines hinreichenden Konvergenzradius kann dann Z gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Potenzreihe in ζ entwickelt werden. Zu diesem Zweck erfolgt erfindungsgemäß die Bildung des Quotienten aus der Führungsgrößenfunktion ƒ(xsoll) und der Iststellgrößenfunktion Z(yist) auf Grundlage von Gleichung (1). Demnach gilt bzw. dies liefert
Praktisch wird somit die zu regelnde Größe, nämlich die Sollregelgrößenfunktion bzw. Führungsgrößenfunktion ƒ(xsoll) mit der vorhandenen Stellgröße, nämlich der Iststellgrößenfunktion Z(yist) in Beziehung gesetzt.In practice, the variable to be controlled, namely the setpoint controlled variable function or reference variable function ƒ (x soll ), is related to the existing manipulated variable, namely the actual manipulated variable function Z (y ist ).
Erfindungsgemäß wird somit die Größe GS(yist, ζ), die wir im Hinblick auf das folgende als momentenerzeugendes Funktional des instantanen Regelungsproblems bezeichnen wollen, definiert. Eine Potenzreihenentwicklung bis zur Ordnung N liefert
Hierin stellt der letzte Summand
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, den Quotienten aus Sollregelgrößenfunktion f(xsoll) und Istregelgrößenfunktion ƒ(xist) auf Grundlage von Gleichung (1) zu bilden
Praktisch wird somit ebenfalls die zu regelnde Größe, nämlich die Sollregelgrößenfunktion bzw. Führungsgrößenfunktion ƒ(xsoll) mit der vorhandenen Stellgröße, nämlich der Iststellgrößenfunktion Z(yist) in Beziehung gesetzt, welche jedoch durch die Istregelgrößenfunktion ƒ(xist) repräsentiert wird. Jedenfalls steht somit das momentenerzeugende Funktional GR bereit. Analog zu Gleichung (5) ergibt sich
Zusammengefasst wird erfindungsgemäß das momentenerzeugende Funktional in Stellgrößendarstellung Gs gemäß Gleichung (4) erstellt und im weiteren Verlauf gemäß Gleichung (5) in eine Potenzreihe definierter Ordnung N entwickelt. Somit steht bei hinreichend kleinem N ein Ausdruck zur Verfügung, der es erlaubt, das momentenerzeugende Funktional in Stellgrößendarstellung nach ζ aufzulösen und somit das Regelungsproblem näherungsweise zu lösen. Die hierbei erreichte Genauigkeit hängt vom Konvergenzradius der Potenzreihe ab und kann letztlich über die Berechnung des zugehörigen Restgliedes abgeschätzt werden. Erweist sich dieses als klein gegenüber den Summengliedern der Potenzreihe, so liegt innerhalb der Methode ein verlässlicher Wert für ζ vor.In summary, according to the invention, the torque-generating functional is created in the manipulated variable representation Gs according to equation (4) and then developed into a power series of a defined order N according to equation (5). Thus, if N is sufficiently small, an expression is available that allows the torque-generating functional to be resolved in the manipulated variable representation according to ζ and thus to solve the control problem approximately. The accuracy achieved here depends on the radius of convergence of the power series and can ultimately be estimated by calculating the associated remainder term. If this turns out to be small compared to the sum terms of the power series, then within the method there is a reliable value for ζ.
Zusammengefasst wird erfindungsgemäß ebenso das momentenerzeugende Funktional in Regelgrößendarstellung GR gemäß Gleichung (7) erstellt und im weiteren Verlauf gemäß Gleichung (8) in eine Potenzreihe definierter Ordnung N entwickelt. Somit steht bei hinreichend kleinem N ein Ausdruck zur Verfügung, der es erlaubt, das momentenerzeugende Funktional in Stellgrößendarstellung nach ζ aufzulösen und somit das Regelungsproblem näherungsweise zu lösen. Die hierbei erreichte Genauigkeit hängt vom Konvergenzradius der Potenzreihe ab und kann letztlich über die Berechnung des zugehörigen Restgliedes abgeschätzt werden. Erweist sich dieses als klein gegenüber den Summengliedern der Potenzreihe, so liegt innerhalb der Methode ein verlässlicher Wert für ζ vor.In summary, according to the invention, the torque-generating functional is also created in the controlled variable representation G R according to equation (7) and then developed into a power series of defined order N according to equation (8). Thus, if N is sufficiently small, an expression is available that allows the torque-generating functional to be resolved in the manipulated variable representation according to ζ and thus to solve the control problem approximately. The accuracy achieved here depends on the radius of convergence of the power series and can ultimately be estimated by calculating the associated remainder term. If this turns out to be small compared to the sum terms of the power series, then within the method there is a reliable value for ζ.
Ist Z(y) gegeben und ƒ(x) als gemessene oder abgeleitete Größe bekannt, so besteht die Lösung des instantanen Regelungsproblems darin, eine der Gleichungen (5) oder (8) unter Vernachlässigung des Restgliedes nach ζ aufzulösen und vermittels Gleichung (3) den aktualisierten Wert für die Stellgröße zu erhalten. Prinzipiell setzt hierbei die grundsätzliche Lösbarkeit von Gleichungen bis zum vierten Grad eine Grenze, sofern Z nicht spezielle Eigenschaften aufweist.If Z (y) is given and ƒ (x) is known as a measured or derived variable, the solution of the instantaneous control problem consists in solving one of the equations (5) or (8), neglecting the remainder of the term, and using equation (3) receive the updated value for the manipulated variable. In principle, the fundamental solvability of equations up to the fourth degree sets a limit, unless Z has special properties.
Gleichwohl resultieren hierbei einerseits Lösungen für das Regelungsproblem, die einer reinen Linearisierung an Exaktheit aufgrund der höheren berücksichtigten Ordnung N überlegen sind. Andererseits kann auf eine gesonderte betriebspunktabhängige Reglerauslegung verzichtet werden, sofern nur die Stellgrößenfunktion Z bekannt ist. In vielen Fällen beschränkt man sich aufgrund der hohen Komplexität von Lösungen von rationalen Gleichungen mit Ordnungen N größer zwei auf eine quadratische Approximation. Illustrativ soll die erfindungsgemäße Methode anhand dieser Approximation demonstriert werden. Selbstverständlich können auch höhere Ordnungen N betrachtet werden. Die entsprechende Anwendung wird dann aber natürlich entsprechend komplizierter.Nevertheless, on the one hand, this results in solutions for the control problem that are superior to pure linearization in terms of accuracy due to the higher N order taken into account. On the other hand, a separate operating point-dependent controller design can be dispensed with if only the manipulated variable function Z is known. In many cases one restricts oneself to a quadratic approximation due to the high complexity of solutions of rational equations with orders N greater than two. The method according to the invention is to be demonstrated by way of illustration using this approximation. Of course, higher orders N can also be considered. The corresponding application is then of course correspondingly more complicated.
Approximiert man das momentenerzeugende Funktional Gx, x ∈ {R, S} bis zum zweiten Moment, so erhält man
Hierbei bezeichnet gx den Wert des momentenerzeugenden Funktionals Gx gemäß der definierenden Gleichung (4) bzw. Gleichung (7) im jeweiligen Betriebspunkt, d. h. gs = Gs[xsoll, yist], beziehungsweise gR = GR[xsoll,xist].Here, gx denotes the value of the torque-generating functional Gx according to the defining equation (4) or equation (7) at the respective operating point, ie g s = G s [x target , y is ], or g R = G R [x target , x is ].
Aus Gleichung (9) folgt mit Gleichung (3) für den Sollwert der Stellgröße
Wie jeder approximative Zugang weist die erfindungsgemäße Methode einen begrenzten Anwendungsbereich auf. Ein besonderer Vorteil besteht erfindungsgemäß allerdings darin, dass erkannt werden kann, ob dieser Anwendungsbereich verlassen wird und somit auf andere gängige Methoden zurückgegriffen werden muss. Das hierfür herangezogene Kriterium wird über das Restglied (vgl. jeweils die Gleichungen (5.a) und (8.a)) erhalten. Ist dieses nämlich hinreichend klein, so kann gefolgert werden, dass die jeweils verwendete Potenzreihenentwicklung eine zulässige Approximation darstellt. Zu diesem Zweck wird das Summenglied der höchsten berücksichtigten Ordnung N mit dem Restglied verglichen, so dass das Verhältnis
Da umgekehrt das physikalische Verhalten sowohl der Stell- als auch der Regelgrößenfunktion bekannt ist, kann auch schon vor Auswertung des korrigierten Regelwertes ysoll („yist - ζ“ gemäß Gleichung (10)) anhand der aktuell vorliegenden Werte von gx entschieden werden, ob die erfindungsgemäße Momentenmethode anwendbar sein wird oder ob eine alternative Methode, beispielsweise ein alternativer Regelungsalgorithmus oder ein reines Steuerverfahren verwendet werden sollte.Conversely, since the physical behavior of both the manipulated variable and the controlled variable function is known, a decision can be made even before the corrected control value y soll ("y ist - ζ" according to equation (10)) is evaluated based on the currently available values of gx whether the torque method according to the invention will be applicable or whether an alternative method, for example an alternative control algorithm or a pure control method, should be used.
Die oben dargelegten Sachverhalte zum Regelungsverfahren, welches auf der Stellgrößendarstellung basiert, sind in
Gemäß
Gemäß dem Wirkungsplan in
Im Ergebnis steht das momentenerzeugende Funktional GS bzw. dessen Wert gs in einem spezifischen Betriebspunkt bereit (Gleichung (4)). In Abhängigkeit des momentenerzeugenden Funktionals Gs bzw. dessen Wertes gs in einem spezifischen Betriebspunkt erfolgt, beispielsweise mittels eines Solvers, die Berechnung der Differenz ζ anhand der Lösung des Polynoms N-ten Grades, wie dies besipielsweise für N = 2 in Gleichung (9) demonstriert wurde. Da die Nullstellenberechnung für Polynome bis zum Grade vier bekannt ist, kann für alle N ≤ 4 diese Lösung ebenso vorab im Solver implementiert werden, wie die jeweils benötigten Ableitungen. Durch eine Beaufschlagung der so ermittelten Differenz ξ mit dem tatsächlichen Wert der aktuellen Stellgröße yist, welche dem Sollwert der Stellgröße ysoll gemäß dem vorherigen Rechenschritt entspricht, wird ein aktueller Sollwert der Stellgröße ysoll gebildet, der nunmehr auf die Strecke einwirkt, so dass die zu beeinflussende Größe x bzw. xist (Regelgröße) durch Einwirkung der Stellgröße ysoll bzw. yist auf die Strecke, der Führungsgröße xsoll entspricht bzw. sich dieser Vorgabe angleicht.As a result, the torque-generating functional G S or its value gs is available at a specific operating point (equation (4)). Depending on the torque-generating functional Gs or its value gs at a specific operating point, the difference ζ is calculated using the solution of the N-th degree polynomial, for example, using a solver, as demonstrated for example for N = 2 in equation (9) has been. Since the zero point calculation for polynomials up to degree four is known, this solution can be implemented in advance in the solver for all N ≤ 4, as can the required derivatives. By applying the difference ξ determined in this way with the actual value of the current manipulated variable y ist , which corresponds to the setpoint of the manipulated variable y soll according to the previous calculation step, a current setpoint of the manipulated variable y soll is formed, which now acts on the route so that the variable x or x is to be influenced (controlled variable) by the action of the manipulated variable y soll or y ist on the system, the reference variable x soll corresponds to or adapts to this specification.
Wie in
Im Ergebnis steht das momentenerzeugende Funktional GR bzw. dessen Wert gR im spezifischen Betriebspunkt bereit (Gleichung (7)). In Abhängigkeit des momentenerzeugenden Funktionals GR bzw. dessen Wertes gR im spezifischen Betriebspunkt erfolgt, beispielsweise mittels eines Solvers, die Berechnung der Differenz ζ anhand der Lösung des Polynoms N-ten Grades, wie dies beispielsweise für N = 2 in Gleichung (10) demonstriert wurde. Da die Nullstellenberechnung für Polynome bis zum Grade vier bekannt ist, kann für alle N ≤ 4 diese Lösung ebenso vorab im Solver implementiert werden, wie die jeweils benötigten Ableitungen. Durch eine Beaufschlagung der so ermittelten Differenz ξ mit dem tatsächlichen Wert der aktuellen Stellgröße yist, welche dem Sollwert der Stellgröße ysoll gemäß dem vorherigen Rechenschritt entspricht, wird ein aktueller Sollwert der Stellgröße ysoll gebildet, der nunmehr auf die Strecke einwirkt, so dass die zu beeinflussende Größe x bzw. xist (Regelgröße) durch Einwirkung der Stellgröße ysoll bzw. yist auf die Strecke der Führungsgröße xsoll entspricht bzw. sich dieser Vorgabe angleicht.As a result, the torque-generating functional G R or its value g R is available at the specific operating point (equation (7)). Depending on the torque-generating functional G R or its value g R at the specific operating point, the difference ζ is calculated, for example by means of a solver, based on the solution of the polynomial of the Nth degree, as is the case, for example, for N = 2 in equation (10) was demonstrated. Since the zero point calculation for polynomials up to degree four is known, this solution can be implemented in advance in the solver for all N ≤ 4, as can the required derivatives. By applying the difference ξ determined in this way with the actual value of the current manipulated variable y ist , which corresponds to the setpoint of the manipulated variable y soll according to the previous calculation step, a current setpoint of the manipulated variable y soll is formed, which now acts on the route so that the variable x or x ist (controlled variable) to be influenced by the action of the manipulated variable y soll or y ist on the path corresponds to the reference variable x soll or is adapted to this specification.
Soweit ist zunächst die erfindungsgemäße Momentenmethode beschrieben bzw. definiert.So far, the torque method according to the invention is first described or defined.
Erfindungsgemäß wird ausgehend von der mathematischen Äquivalenz zwischen der schon beschriebenen Methode und der Darstellung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung durch die korrespondierenden Momente weiterhin die Formulierung eines kumulantenerzeugenden Funktionals vorgeschlagen. Im Folgenden wollen wir dieses Verfahren abkürzend mit Kumulantenmethode bezeichnen.According to the invention, based on the mathematical equivalence between the method already described and the representation of a probability distribution by the corresponding moments, the formulation of a cumulant-generating functional is also proposed. In the following, we will refer to this procedure for short as the cumulative method.
Das kumulantenerzeugende Funktional ist jeweils für die Regel- und Stellgrößendarstellung definiert durch
In Analogie zur erzeugenden Funktion der Momente (siehe Beschreibung Momentenmethode oben) kann nun auch Gleichung (13) zur gegebenen Ordnung N nach ξ aufgelöst werden. Sinngemäß gelten hier dieselben Eigenschaften bezüglich Lösbarkeit der jeweils gewählten Approximationen. In Analogie zur beispielhaften Lösung aus dem letzten Abschnitt ergibt sich bei einer Approximation bis zur zweiten Ordnung (also N=2)
Hierin bezeichnet in Analogie zu Gleichung (9)ƒX den Wert der kumulantenerzeugenden Funktion Fx gemäß der definierenden Gleichung (13) im jeweiligen Betriebspunkt. Unter Verwendung von Gleichung (3) ergibt sich in dieser Darstellung für den Sollwert der Stellgröße
Somit ist auch die erfindungsgemäße Kumulantenmethode beschrieben bzw. definiert. Aus mathematischer Sicht erwartet man ein besseres Konvergenzverhalten der Momentenmethode im Vergleich zur Kumulantenmethode, wenn GX mit ξ unterproportional verläuft. Im umgekehrten Fall überproportionalen Verlaufes wird die Kumulantenmethode eine bessere Approximation darstellen, als dies die Momentenmethode vermag. Dieser Umstand wird sich erfindungsgemäß im jeweiligen Betriebspunkt des technischen Systems dadurch zunutze gemacht, dass diejenige Potenzreihe mit dem schnelleren Konvergenzverhalten ausgewählt und aufbauend auf dieser nach der Differenz ξ aufgelöst wird. Insbesondere ergibt sich somit das Potenzial, eine hohe Ordnung N bei der Entwicklung zu vermeiden, wodurch einfachere Ausdrücke bei der Auswertung verwendet werden können, ohne dass Einbußen bei der Regelgüte hingenommen werden müssen.The accumulation method according to the invention is thus also described or defined. From a mathematical point of view, one expects a better convergence behavior of the moment method compared to the cumulative method if G X with ξ is disproportionately low. In the opposite case of a disproportionate course, the cumulative method will represent a better approximation than the moment method. According to the invention, this circumstance is made use of in the respective operating point of the technical system in that that power series with the faster convergence behavior is selected and, based on this, is resolved according to the difference ξ. In particular, there is thus the potential to avoid a high order N in the development, as a result of which simpler expressions can be used in the evaluation without having to accept losses in the control quality.
Wie gemäß
Dabei kann eine Auswahl erfolgen, ob die Differenz ξ gemäß Gleichung (3), die zur Bildung einer auf eine von Störgrößen u beeinflussten Strecke einwirkenden Stellgröße ysoll bzw. yist herangezogen bzw. verwendet wird, einer Differenz ζMom entspricht, die mittels eines ersten Solvers (SolverMom), d. h. mittels der Momentenmethode/eines ersten Verfahrens zur Bereitstellung der Differenz ξ bzw. ζMom bereitgestellt wird oder einer Differenz ζKum entspricht, die mittels eines zweiten Solvers (SolverKum), d. h. mittels der Kumulantenmethode/mittels eines zweiten Verfahrens zur Bereitstellung der Differenz ξ bzw. ζKum bereitgestellt wird.A selection can be made as to whether the difference ξ according to equation (3), which is used to form a manipulated variable y set or y is used to form a manipulated variable y that is influenced by disturbance variables u, corresponds to a difference ζ Mom that is determined by means of a first solver (SolverMom), ie using the moment method / a first method for providing the difference ξ or ζ Mom is provided or a difference ζ Kum corresponds to that using a second solver (SolverKum), ie using the cumulative method / using a second method to provide the difference ξ or ζ cum .
Zu diesem Zweck werden zunächst die Größen ζMom, bzw. ζKum, wie im Vorhergehenden beschrieben, jeweils im Rahmen der Momenten-, bzw. der Kumulantenmethode für den vorliegenden Betriebspunkt mittels einer Potenzreihe der Ordnung N bestimmt. Die somit bereitstehenden Größen ζMom, bzw. ζKum werden sodann an die Hierarchie Auswahl übergeben. In dieser Hierarchie erfolgt nun die Auswertung der jeweiligen Restglieder der bei der Ermittlung von ζMom, bzw. ζKum verwendeten Potenzreihen, wobei ζ mit demjenigen Wert ζMom oder ζKum gleichgesetzt wird, der mit dem betragsmäßig kleineren Restglied verknüpft ist. Mit anderen Worten, es wird folgende Vorschrift verwendet:
Durch eine Beaufschlagung der so ermittelten Differenz ξ mit dem tatsächlichen Wert der aktuellen Stellgröße, welche dem Sollwert der Stellgröße ysoll gemäß dem vorherigen Rechenschritt entspricht, wird ein aktueller Sollwert der Stellgröße ysoll gebildet, der nunmehr auf die Strecke einwirkt, so dass die zu beeinflussende Größe x bzw. xist (Regelgröße) durch Einwirkung der Stellgröße ysoll bzw. yist auf die Strecke der Führungsgröße xsoll entspricht bzw. sich dieser Vorgabe angleicht.By applying the determined difference der with the actual value of the current manipulated variable, which corresponds to the setpoint of the manipulated variable y soll according to the previous calculation step, a current setpoint of the manipulated variable y soll is formed, which now acts on the route so that the to Influencing variable x or x ist (controlled variable) through the action of the manipulated variable y soll or y ist on the path corresponds to the reference variable x soll or is adapted to this specification.
Wie schon bei der Darstellung der Kumulantenmethode angemerkt, erfordert die Berechnung von ζKum und die in der Auswahl vorgenommene Restgliedabschätzung keine gesonderte Berechnung der dargestellten Differentiationen (vgl. Gleichung (13) und (14)). Vielmehr können die Kumulanten durch Kombination der Momente erhalten werden. Somit kann durch eine gezielte Auswahl zwischen den beiden Methoden eine hohe Ordnung N bei der Entwicklung vermieden werden, wodurch vergleichsweise einfache Ausdrücke bei der Auswertung verwendet werden können, ohne dass Einbußen bei der Regelgüte hingenommen werden müssen, wie oben beschrieben. Der hierbei von der Rechenmaschine zu leistende Rechenaufwand kann hiermit geringgehalten werden. Insbesondere ergibt sich durch die erfindungsgemäße Kombination der beiden Methoden häufig eine Anwendbarkeit in Betriebsbereichen, die von einer der beiden Methoden allein in aller Regel nicht dargestellt werden könnte. Durch die Berechnung der Kumulanten aus den Momenten wird dieser Zugewinn durch einen sehr geringen rechentechnischen Mehraufwand erkauft.As already noted in the presentation of the cumulative method, the calculation of ζ Cum and the residual term estimate made in the selection do not require a separate calculation of the differentiations shown (cf. equations (13) and (14)). Rather, the cumulants can be obtained by combining the moments. A high order N can thus be avoided during development through a targeted selection between the two methods, which means that comparatively simple expressions can be used in the evaluation without having to accept losses in the control quality, as described above. The computing effort to be performed by the computing machine can hereby be kept low. In particular, the combination according to the invention of the two methods often results in an applicability in operational areas which, as a rule, could not be represented by one of the two methods alone. By calculating the cumulative values from the moments, this gain is bought at the cost of a very small additional computational effort.
Ein typischer Anwendungsfall für instantane Regelungsprobleme ist im Bereich des Wärmemanagements mittels indirekter Temperierungssysteme gegeben. Der häufig auftretende Fall, dass ein Arbeitsmedium (in aller Regel Ansaugluft oder Abgas) auf einen bestimmten Wert temperiert werden soll, wird durch eine Pumpe realisiert, deren Drehzahl je nach Betriebsbedingung vorgegeben werden kann. Ein Regelungsalgorithmus, der im Zusammenhang mit der hier vorgestellten Methode verwendet werden kann, ergibt sich aus der Methode der dimensionslosen Temperaturänderung P, siehe hierzu auch
Hierin bezeichnen T1,u, und T1,d jeweils die Temperatur des Arbeitsmediums stromauf- und -abwärts des Wärmeübertragers. Die Temperatur des Temperierungsmediums (Kühlmittel) stromaufwärts des Bauteils ist gegeben durch T2,u.Here, T 1, u , and T 1, d each denote the temperature of the working medium upstream and downstream of the heat exchanger. The temperature of the temperature control medium (coolant) upstream of the component is given by T 2, u .
Wie bekannt, hängt die dimensionslose Temperaturänderung im Wesentlichen von den Wärmekapazitätsströmen (mit cp,j als Wärmekapazität und ṁj als Massenstrom)
Soll nun die Temperatur des Arbeitsmediums geregelt werden, so erhält man durch die Ersetzung T1,d → T1,d,des bei sonst gleichen Variablen einen Sollwert für die dimensionslose Temperaturänderung gemäß
Unter Verwendung von Gleichung (19) ergibt sich hieraus, dass die Transformation P → Pdes umgekehrt Γ2 → Γ2,des impliziert. In aller Regel ist der funktionale Zusammenhang zwischen der dimensionslosen Temperaturänderung und dem Kühlmittelwärmekapazitätsstrom so kompliziert, dass eine direkte Invertierung der Form Γ2,des = Γ2,des(Γ1,Pdes) nicht ohne weiteres möglich ist. Aus diesem Grunde soll der erfindungsgemäße Ansatz auf diese Fragestellung angewendet werden.Using equation (19), this results in that the transformation P → P of the inverted Γ 2 Γ → 2, the implied. As a rule, the functional relationship between the dimensionless temperature change and the coolant heat capacity flow is so complicated that a direct inversion of the form Γ 2, des = Γ 2, des (Γ 1 , P des ) is not easily possible. For this reason, the approach according to the invention should be applied to this problem.
Zur Validierung der erfindungsgemäßen Methode wurde ein Wärmeübertrager herangezogen, dessen dimensionslose Temperaturänderung mittels des folgenden funktionalen Zusammenhanges durch die Wärmekapazitätsströme ausgedrückt werden kann:
Diese Vermutung bestätigt sich, wenn man die jeweilige absolute Abweichung bei den Potenzreihenentwicklungen vergleicht. Dieser Ausdruck ist für die jeweilige erzeugende Funktion
Für
Die prinzipielle Strategie des erfindungsgemäßen Ansatzes besteht mit anderen Worten darin, die jeweiligen Gleichungen
Schließlich wird dasjenige ξ mit dem kleineren absoluten Restglied RG, RF ausgewählt und innerhalb der Steuerungsfunktion oder Regelungsfunktion weiterverarbeitet, siehe
Soweit wurde zunächst ein instantanes Regelungsproblem betrachtet und es wurde eine Regelungsstrategie anhand erzeugender Funktionale für instantane Systeme vorgestellt. Prinzipiell ist aber die Anwendbarkeit dieses Ansatzes nicht auf solche Systeme beschränkt. Gelingt es für ein dynamisches System, ein geeignetes momentenerzeugendes Funktional zu finden, kann durch eine Potenzreihenentwicklung in nunmehr bekannter Weise nach der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Stellgröße aufgelöst werden.So far, an instantaneous control problem was initially considered and a control strategy based on generating functionals for instantaneous systems was presented. In principle, however, the applicability of this approach is not restricted to such systems. If it is possible to find a suitable torque-generating functional for a dynamic system, the deviation between the setpoint and the actual manipulated variable can be resolved using a power series expansion in the now known manner.
Weiter ergibt sich dann ebenfalls die Möglichkeit, aus dem momentenerzeugenden Funktional ein kumulantenerzeugendes Funktional herzuleiten. Die korrespondierende Möglichkeit, auch diesen Ausdruck der Regelung zugrunde zu legen, besteht in vollständiger Analogie zum instantanen Fall. Die Auffindung eines momentenerzeugenden Funktionals für ein dynamisches System mit einem Regelungsfreiheitsgrad soll im Folgenden dargestellt werden. Dazu betrachten wir ein System, welches durch die folgende Differentialgleichung beschrieben sei
Für das Folgende definieren wir das momentenerzeugende Funktional
Der Ansatz ist hierbei, dieses Verhältnis, d. h. das momentenerzeugende Funktional gemäß Gleichung (32), aus der zeitlichen Ableitung ζ̇ der Regelabweichung ζ und einem korrespondierenden Wert zu bilden, so dass die bei einer darauffolgenden Entwicklung des momentenerzeugenden Funktionals G (Gleichung (32)) in eine Potenzreihe, die dann erhaltenen Ausdrücke die Gestalt der Momente annehmen.The approach here is to use this ratio, i. H. to form the torque-generating functional according to equation (32), from the time derivative ζ̇ of the control deviation ζ and a corresponding value, so that in a subsequent development of the torque-generating function G (equation (32)) into a power series, the expressions then obtained are the Take shape of moments.
Praktisch ergeben sich somit die Ausdrücke im Nenner von Gleichung (32) dadurch, dass eine Unterscheidung zwischen „Soll“ und „Ist“ in der Größe x aufrechterhalten wird, wohingegen die Rechnung auf yist referenziert ist, da letztlich um den Punkt yist entwickelt werden soll. Damit die Terme, die sich nach der Potenzreihenentwicklung ergeben, die mathematische Gestalt von Momenten annehmen, wird der in Gleichung (32) angegebene Nenner gewählt bzw. verwendet.In practice, the expressions in the denominator of equation (32) result from the fact that a distinction between “target” and “actual” is maintained in size x, whereas the calculation is referenced to y ist, since ultimately developed around point y ist shall be. The denominator given in equation (32) is chosen or used so that the terms that result from the expansion of the power series take on the mathematical form of moments.
Im weiteren Verlauf erfolgt nun nach Einsetzen von Gleichung (31) in Gleichung (32) eine Entwicklung in eine Potenzreihe um ξ = 0 unter Verwendung von Gleichung (29).In the further course, after equation (31) has been inserted into equation (32), expansion into a power series around ξ = 0 is carried out using equation (29).
Hieraus ergibt sich die momentenerzeugende Funktion
Somit ist das dynamische Regelungsproblem auf die Bestimmung von ξ zurückgeführt. Mathematisch ist der sich ergebende Ausdruck äquivalent zum instantanen Fall. Mit der Definition der momentenerzeugenden Funktion geht selbstverständlich auch die Möglichkeit der Definition der kumulantenerzeugenden Funktion einher und mit ihr der gesamte Formalismus (Momentenmethode und Kumulantenmethode), der in der vorliegenden Beschreibung (siehe oben) bereits diskutiert wurde, im Zusammenhang mit dem instantanen Regelungsproblem, siehe auch
- - Die prinzipielle Möglichkeit, dass gelten kann G[·] ≤ 0, stellt keine Einschränkung der erfindungsgemäßen Methode dar, wenn der komplexe Logarithmus und zwar stets derselbe Zweig desselben verwendet wird. Allerdings ergibt sich hierbei ein von Null verschiedener Imaginärteil, der nicht durch eine endliche Summe reeller Terme dargestellt werden kann. Insofern wollen wir die kumulantenerzeugende Funktion ausschließlich für den Fall G[·] > 0 definieren. Da der eingeregelte Zustand durch G[·] = 1 charakterisiert ist, steht allerdings ohnehin zu vermuten, dass eine Entwicklung für G[·] ≤ 0 eine große Anzahl an Termen benötigt, um zu einer guten Abschätzung für ξ zu kommen.
- - Tatsächlich ist das instantane Regelungsproblem als Grenzfall zum dynamischen Regelungsproblem anzusehen. Anschaulich kann man dies so verstehen, dass im Grenzfall einer langsam veränderlichen Zustandsvariablen der instantane Regelungsfall erfüllt ist. Mathematisch macht man sich diesen Sachverhalt dadurch klar, dass in diesem Grenzfall stets gilt xist << 1. Hiermit folgt aus Gleichung (28) h(xist,yist) ≈ 0. Sofern die Funktion h nun additiv separabel bezüglich xist und yist ist, schreiben wir
- The possibility in principle that G [·] 0 does not represent a restriction of the method according to the invention if the complex logarithm and, in fact, always the same branch thereof is used. However, this results in an imaginary part different from zero, which cannot be represented by a finite sum of real terms. In this respect, we want to define the function generating the cumulative exclusively for the case G [·]> 0. Since the regulated state is characterized by G [·] = 1, it can be assumed that a development for G [·] ≤ 0 requires a large number of terms in order to arrive at a good estimate for ξ.
- - In fact, the instantaneous control problem is to be seen as a borderline case to the dynamic control problem. This can be clearly understood in such a way that in the borderline case of a slowly changing state variable, the instantaneous control case is fulfilled. Mathematically, this fact makes you look thereby clear that in this limit always applies x << 1. This follows from equation (28) h (x, y) ≈ 0. If the function h now additively separable with respect to x and y is is, we write
Hiermit sind wir auf die Definitionsgleichung (vgl. Gleichung (1)) für das instantane Regelungsproblem zurückgeführt.This brings us back to the definition equation (cf. equation (1)) for the instantaneous control problem.
Wie in
Gemäß
Gemäß dem Wirkungsplan in
Im weiteren Verlauf erfolgt die Bildung des momentenerzeugenden Funktionals G bzw. dessen Wertes g im spezifischen Betriebspunkt gemäß Gleichung (32). In Analogie zu
Dabei kann eine Auswahl erfolgen, ob die Differenz ξ gemäß Gleichung (29), die zur Bildung einer auf eine von Störgrößen u beeinflussten Strecke einwirkenden Stellgröße ysoll bzw. yist herangezogen bzw. verwendet wird, einer Differenz ζMom entspricht, die mittels eines ersten Solvers (SolverMom), d. h. mittels der Momentenmethode/eines ersten Verfahrens zur Bereitstellung der Differenz ξ bzw. ζMom bereitgestellt wird oder einer Differenz ζKum entspricht, die mittels eines zweiten Solvers (SolverKum), d. h. mittels der Kumulantenmethode/mittels eines zweiten Verfahrens zur Bereitstellung der Differenz ξ bzw. ζKum bereitgestellt wird.A selection can be made as to whether the difference ξ according to equation (29), which is to be used or y is used to form a manipulated variable y acting on a path influenced by disturbance variables u. is used, corresponds to a difference ζ Mom , which is provided by means of a first solver (SolverMom), ie by means of the moment method / a first method for providing the difference ξ or ζ Mom , or corresponds to a difference ζ Kum , which is provided by means of a second solver ( SolverKum), ie using the cumulative method / using a second method for providing the difference Bereitstellung or ζ Kum .
Zu diesem Zweck werden zunächst die Größen ζMom, bzw. ζKum, wie im Vorhergehenden beschrieben, jeweils im Rahmen der Momenten-, bzw. der Kumulantenmethode für den vorliegenden Betriebspunkt mittels einer Potenzreihe der Ordnung N (streng genommen können die jeweils berücksichtigten Ordnungen der Momenten- und der Kumulantenmethode jeweils differieren) bestimmt. Die somit bereitstehenden Größen ζMom, bzw. ζKum werden sodann an die Hierarchie Auswahl übergeben. In dieser Hierarchie erfolgt nun die Auswertung der jeweiligen Restglieder der bei der Ermittlung von ζMom, bzw. ζKum verwendeten Potenzreihen, wobei ζ mit demjenigen Wert ζMom oder ζKum gleichgesetzt wird, der mit dem betragsmäßig kleineren Restglied verknüpft ist. Mit anderen Worten, es wird folgende Vorschrift verwendet:
Wie auch im instantanen Fall angemerkt, erfordert die Berechnung von ζKum und die in der Auswahl vorgenommene Restgliedabschätzung keine gesonderte Berechnung der dargestellten Differentiationen. Vielmehr können die Kumulanten durch Kombination der Momente erhalten werden. Somit kann durch eine gezielte Auswahl zwischen den beiden Methoden eine hohe Ordnung N bei der Entwicklung vermieden werden, wodurch vergleichsweise einfache Ausdrücke bei der Auswertung verwendet werden können, ohne dass Einbußen bei der Regelgüte hingenommen werden müssen, wie oben beschrieben. Der hierbei von der Rechenmaschine zu leistende Rechenaufwand kann hiermit geringgehalten werden. Insbesondere ergibt sich durch die erfindungsgemäße Kombination der beiden Methoden häufig eine Anwendbarkeit in Betriebsbereichen, die von einer der beiden Methoden allein in aller Regel nicht dargestellt werden könnte. Durch die Berechnung der Kumulanten aus den Momenten wird dieser Zugewinn durch einen sehr geringen rechentechnischen Mehraufwand erkauft.As noted in the instantaneous case, the calculation of ζ Cum and the residual term estimate made in the selection do not require a separate calculation of the differentiations shown. Rather, the cumulants can be obtained by combining the moments. A high order N can thus be avoided during development through a targeted selection between the two methods, which means that comparatively simple expressions can be used in the evaluation without having to accept losses in the control quality, as described above. The computing effort to be performed by the computing machine can hereby be kept low. In particular, the combination according to the invention of the two methods often results in an applicability in operational areas which, as a rule, could not be represented by one of the two methods alone. By calculating the cumulative values from the moments, this gain is bought at the cost of a very small additional computational effort.
Zusammengefasst besteht die prinzipielle Funktionsweise der kombinierten Momenten-KumulantenMethode darin, dass aus der funktionalen Beziehung
Die Lösung des Regelungsproblems besteht nun darin, die Potenzreihe bei einer Ordnung N abzubrechen, bei welcher die entstehende Gleichung noch nach ζ aufgelöst werden kann.The solution to the control problem now consists in breaking off the power series at an order N at which the resulting equation can still be solved for ζ.
Die mathematische Struktur der Potenzreihenentwicklung zeigt eine formale Analogie zu derjenigen einer momentenerzeugenden Funktion, wie sie in der mathematischen Statistik häufig zur Anwendung kommt. Aufgrund dessen wird nahegelegt, zusätzlich zur momentenerzeugenden Funktion auch eine kumulantenerzeugende Funktion F := In G zu definieren. Für diese kann ebenfalls wiederum eine Potenzreihenentwicklung vorgenommen werden. Die Idee hinter diesem Ansatz besteht darin, dass die Reihenentwicklung für die kumulantenerzeugende Funktion ein Konvergenzverhalten aufweist, welches von demjenigen der momentenerzeugenden Funktion abweicht. Aufgrund des Restgliedvergleichs kann dann entschieden werden, welche Potenzreihe tatsächlich bessere Approximation im betrachteten Betriebspunkt darstellt. Somit wird der Anwendungsbereich der Regelungsmethode gegenüber einem einfachen Potenzreihenansatz erweitert, da die Verlässlichkeit der Methode die Konvergenz nur einer Methode fordert.The mathematical structure of the power series expansion shows a formal analogy to that of a moment-generating function, as it is often used in mathematical statistics. Because of this, it is suggested to define a cumulant-generating function F: = In G in addition to the torque-generating function. A power series expansion can also be carried out for this. The idea behind this approach is that the series expansion for the cumulant-generating function exhibits a convergence behavior which deviates from that of the torque-generating function. Based on the comparison of the remaining terms, it can then be decided which power series actually represents a better approximation in the operating point under consideration. Thus, the application range of the control method is expanded compared to a simple power series approach, since the reliability of the method requires the convergence of only one method.
Aus rechentechnischer Sicht können darüber hinaus die Kumulanten k und Momente m algebraisch ineinander überführt werden gemäß
Weiterführende Erkenntnisse können wie folgt formuliert werden. Vom mathematischen Standpunkt gesehen, liegt das unterschiedliche Konvergenzverhalten der Potenzreihen darin begründet, dass verschiedene Funktionen entwickelt werden. Dies hat jeweils mit dem Grad der Nichtlinearität des Systems zu tun. Anschaulich macht man sich das anhand des Beispiels klar, dass die Ordnung der Potenzreihe als N = 1 gewählt wird. Weist nun die Funktion Z(y) beispielsweise ein stark überproportionales Verhalten im betrachteten Betriebspunkt auf (durchgezogene Linie), so wird eine vergleichsweise „steile“ Funktion durch eine Gerade (gestrichelt) approximiert (siehe lineare Approximation der Funktion G(ζ) schematisch in
Ist die betrachtete Funktion stattdessen stark unterproportional, dann wird das Logarithmieren diese Tendenz noch verstärken. Aus diesem Grunde erwartet man eine bessere Approximation im Rahmen der momentenerzeugenden Funktion als für die kumulantenerzeugende Funktion. Das ist jeweils für die Funktion Z(y) = ln[y + y2] schematisch in
Eine Verallgemeinerung der momentenerzeugenden und kumulantenerzeugenden Funktionen bzw. eine mögliche Verallgemeinerung der oben diskutierten Methode besteht in folgendem Ansatz.A generalization of the torque-generating and cumulant-generating functions or a possible generalization of the method discussed above consists in the following approach.
Anstelle der momentenerzeugenden Funktion G definieren wir die erzeugende Funktion H(0) nullter „Stufe“ durch
In dieser Notation entspräche dann die kumulantenerzeugende Funktion dem folgenden Ausdruck
Daher definieren wir die rechte Seite dieser Gleichung in der neuen Notation. Hieraus ergibt sich
Nun gibt es aber natürlich keine Notwendigkeit, sich auf die „Stufen“ (0) und (-1) zu beschränken. Stattdessen lässt sich rekursiv schreiben
Wie man zeigen kann, bestehen zwischen benachbarten Stufen n und n + 1 ebenfalls die Beziehungen (38) und (39). Zusammenfassend lassen sich diese Beziehungen schreiben durch
Somit kann für jede Funktion H(n)(ζ) mit
Eine weitere Verallgemeinerung des Vorgehens besteht nun darin, die Logarithmusbildung umzukehren, insofern also Gleichung Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. generell für n ∈ ℤ für gültig zu erklären, wobei stets zwischen benachbarten Stufen die Beziehungen (38) und (39) gültig sind.A further generalization of the procedure is to reverse the logarithm formation, so that equation error! Reference source not found. generally to be declared valid for n ∈ ℤ, whereby the relations (38) and (39) are always valid between adjacent levels.
Eine Verallgemeinerung der Lösung eines Regelungsproblems (bzw. wie oben bereits aufgeführt) erhalten wir mit der Verallgemeinerung der momenten- und der kumulantenerzeugenden Funktionen unendlich viele Potenzreihenentwicklungen, die sämtlich von unterschiedlichem Konvergenzverhalten sind. Nun möchte man sich diesen Umstand zunutze machen, indem man bereits vor der Berechnung von ζ diejenige Stufe identifiziert, die im Betriebspunkt jeweils das schnellste Konvergenzverhalten aufweist. Als Leitlinie dient hierbei die Erkenntnis, dass die polynominale Approximation umso besser funktioniert, je eher der Funktionsverlauf der betrachteten erzeugten Funktion demjenigen einer Geraden entspricht. Mit anderen Worten, wir suchen die erzeugende Funktion derjenigen Stufe n, die im betrachteten Betriebspunkt die geringste Krümmung aufweist. Die Krümmung lässt sich aber aus dem jeweiligen zweiten Moment
Weiter erhalten wir aus der Beziehung (38) die folgende Gleichung zwischen den zweiten Momenten der erzeugenden Funktionen benachbarter Stufen:
Das zweite Moment n-ter Stufe wird demnach durch eine Gerade in n repräsentiert, deren Steigung durch das erste Moment und deren Ordinatenabschnitt durch das zweite Moment nullter Stufe gegeben ist. Die minimale Krümmung ergibt sich sodann für dasjenige n, für welches die Gleichung (46) eine Nullstelle aufweist. Es gilt also
Aus diesem Grunde bestimmt sich die Stufe, welche die geringste Krümmung aufweist, durch die Ceil- oder die Floor-Funktion gemäß
Nachdem die Stufe minimaler Krümmung auf diesem Wege bestimmt wurde, kann die zugehörige Potenzreihe bei einer Ordnung N abgebrochen werden, die eine Auflösung nach ζ analytisch erlaubt und hiermit die neue Stellgröße berechnet werden. Die zugehörige Potenzreihe ist in diesem Fall diejenige, die die schnellste Konvergenz aller Teilreihen (SKAT) zeigt und daher die beste Approximation an die tatsächlich nichtlineare Funktion Z(y) in der betrachteten Ordnung repräsentiert, so dass die Güte der hiermit gefundenen Lösung der einfachen Momenten-Kumulanten-Methode überlegen ist.After the level of minimum curvature has been determined in this way, the associated power series can be terminated at an order N, which analytically allows a resolution according to ζ and the new manipulated variable can be calculated with this. In this case, the associated power series is the one that shows the fastest convergence of all sub-series (SKAT) and therefore represents the best approximation to the actually nonlinear function Z (y) in the order under consideration, so that the quality of the solution of the simple moments found with it -Cumulant method is superior.
Zuletzt können zur Minimierung von Fluktuationen noch jeweils die Potenzreihen benachbarter Stufen zur Lösung des Problems herangezogen werden, so dass eine nachgelagerte Restgliedabschätzung das Auffinden der betriebspunktabhängigen Lösung des Regelungsproblems durchgeführt werden kann. Unterlässt man dies, so zeigt die SKAT-Methode eine höhere Regelgüte bei reduziertem Rechenaufwand (es muss nur eine Potenzreihengleichung nach ζ aufgelöst werden. Die Bestimmung von nMin fällt demgegenüber numerisch günstig aus). Führt man zusätzlich die Verifizierung gemäß der Restgliedabschätzung durch, so steigt zwar der rechentechnische Aufwand, das Verfahren ist dann aber in jedem Fall von höherer Regelgüte und stabiler gegen Fluktuationen.Finally, in order to minimize fluctuations, the power series of adjacent stages can be used to solve the problem, so that a subsequent residual term estimate can be used to find the operating point-dependent solution of the control problem. If this is not done, the SKAT method shows a higher control quality with less computational effort (only a power series equation has to be solved for ζ. In contrast, the determination of n Min is numerically favorable). If the verification is also carried out in accordance with the remaining term estimate, the computational effort increases, but the method is then in any case of higher control quality and more stable against fluctuations.
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DE102021128833A1 (en) | 2021-11-05 | 2023-05-11 | Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr | Method and device for determining the temperature of a medium to be cooled downstream of a heat exchanger, taking into account the heat losses to the environment |
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