DE102022203549A1 - Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parametrierung eines Stromreglers (200) für einen elektromagnetischen Aktor (101) zum Regeln eines Istwerts (y) eines Stroms durch den elektromagnetischen Aktor auf einen Sollwert (r) aufweisend ein Regelglied (201), dem eine Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert zugeführt wird und das aus der Regelabweichung nach Maßgabe einer Regelvorschrift mit Regelungsparametern eine erste Stellgröße (ufb) berechnet, wobei eine Gesamtstellgröße (u) aus der ersten Stellgröße berechnet wird, wobei der Strom durch den elektromagnetischen Aktor (101) nach Maßgabe der Gesamtstellgröße (u) erzeugt wird, wobei der Istwert (y) und die Gesamtstellgröße (u) einem Parameteranpassungsglied (206) zugeführt werden, welches daraus wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) zur Anpassung der Regelungsparameter berechnet.The invention relates to a method for parameterizing a current regulator (200) for an electromagnetic actuator (101) for controlling an actual value (y) of a current through the electromagnetic actuator to a setpoint (r) having a control element (201), which has a control deviation between the Setpoint and the actual value are supplied and a first manipulated variable (ufb) is calculated from the control deviation in accordance with a control regulation with control parameters, with a total manipulated variable (u) being calculated from the first manipulated variable, the current through the electromagnetic actuator (101) being determined in accordance with the requirements the total manipulated variable (u) is generated, the actual value (y) and the total manipulated variable (u) being fed to a parameter adaptation element (206), which calculates at least one adaptation parameter (ϑ) for adapting the control parameters.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Parametrierung eines Stromreglers für einen elektromagnetischen Aktor zum Regeln eines Istwerts eines Stroms durch den elektromagnetischen Aktor auf einen Sollwert sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator for regulating an actual value of a current through the electromagnetic actuator to a setpoint as well as a computing unit and a computer program for carrying it out.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Bei elektromagnetisch betätigten Hydraulikventilen wird in der Regel eine pulsbreitenmodulierte Spannung (PWM) an eine Spule angelegt, die zu einem Strom und in weiterer Folge zu einer Magnetkraft auf den Kolben im Ventil führt. Die resultierende Kraft ist stromabhängig. Aus diesem Grund werden Stromregler so eingesetzt, dass ein gewünschter Strom mit der entsprechenden Kraft schnell erreicht werden kann, und so, dass er robust gegenüber Temperaturänderungen ist. Der Ausgang des Reglers ist die Spannung bzw. das Tastverhältnis der an die Spule angelegten PWM, der Eingang ist der Stromsollwert und der gemessene Strom.With electromagnetically operated hydraulic valves, a pulse width modulated voltage (PWM) is usually applied to a coil, which results in a current and subsequently a magnetic force on the piston in the valve. The resulting force depends on the current. For this reason, current regulators are used in such a way that a desired current can be achieved quickly with the appropriate force and in such a way that it is robust to temperature changes. The output of the controller is the voltage or duty cycle of the PWM applied to the coil, the input is the current setpoint and the measured current.
Man kann Regler mit manuell eingestellten Regelungsparametern bzw. -beiwerten verwenden, typischerweise PI-Regler mit Proportionalverstärkung Kp und Nachstellzeit Tn als Regelungsparameter. Um ein gutes Regelergebnis zu erreichen (z.B. schnelle Änderung des Stroms durch die Spule), müssen die Regelungsparameter typischer Regler für jeden Ventiltyp manuell eingestellt werden. Dieser Aufwand kann sehr groß sein, und die Leistung des Reglers ist unter Umständen trotzdem nicht sehr gut.You can use controllers with manually set control parameters or coefficients, typically PI controllers with proportional gain Kp and reset time Tn as control parameters. In order to achieve a good control result (e.g. rapid change in the current through the coil), the control parameters of typical controllers must be set manually for each valve type. This effort can be very large, and the performance of the controller may still not be very good.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Parametrierung eines Stromreglers für einen elektromagnetischen Aktor zum Regeln eines Istwerts eines Stroms durch den elektromagnetischen Aktor auf einen Sollwert sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator for regulating an actual value of a current through the electromagnetic actuator to a setpoint as well as a computing unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
Im Rahmen der Erfindung wird ein selbstkalibrierender Regler vorgestellt, d.h. die erforderlichen Regelungsparameter für einen konkret angesteuerten elektromagnetischen Aktor werden automatisch ermittelt, was den manuellen Aufwand drastisch reduziert. Die Regelgüte wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöht, indem das gewonnene Wissen zusätzlich zu einem reinen Rückkopplungsregler (aufweisend ein Regelglied) für eine Vorwärtsstrecke (aufweisend ein Vorsteuerglied) genutzt wird. Hochgradig nichtlineares Parameterverhalten kann durch den Adaptionsalgorithmus dargestellt und gesteuert werden. Die Struktur kann verwendet werden, um eine erste, automatische Kalibrierung durchzuführen und danach jede Anpassung des Reglers zu stoppen. Darüber hinaus kann sie während der Laufzeit elektrischen Widerstand und Induktivität der Spule des elektromagnetischen Aktors liefern, was zur Fehlererkennung und -diagnose genutzt werden kann. Auch eine kontinuierliche Anpassung des Reglers an Widerstandsänderungen in Folge steigender oder fallender Temperaturen ist möglich, um die Leistung des Reglers hochzuhalten.As part of the invention, a self-calibrating controller is presented, i.e. the required control parameters for a specifically controlled electromagnetic actuator are determined automatically, which drastically reduces the manual effort. The control quality is significantly increased compared to the prior art by using the knowledge gained in addition to a pure feedback controller (having a control element) for a forward link (having a pilot control element). Highly nonlinear parameter behavior can be represented and controlled by the adaptation algorithm. The structure can be used to perform an initial, automatic calibration and then stop any adjustment of the controller. In addition, it can provide electrical resistance and inductance of the coil of the electromagnetic actuator during runtime, which can be used for fault detection and diagnosis. It is also possible to continuously adapt the controller to changes in resistance as a result of rising or falling temperatures in order to keep the performance of the controller high.
Das Adaptionsverfahren verwendet lediglich die Stellgröße und den Istwert des Stroms durch den elektromagnetischen Aktor. Weder die Kenntnis der Magnetparameter noch der Ankerposition ist nötig. Die nichtlinearen Effekte eines Magneten hängen stark von der jeweiligen Bauform ab, und müssen für die automatische Einstellung der Regelungsparameter nicht bekannt sein. Somit wird eine sehr einfache Lösung vorgestellt, die aber dennoch sehr gute Ergebnisse liefert. The adaptation process only uses the manipulated variable and the actual value of the current through the electromagnetic actuator. Neither knowledge of the magnet parameters nor the anchor position is necessary. The non-linear effects of a magnet depend heavily on the respective design and do not need to be known for the automatic adjustment of the control parameters. A very simple solution is presented, but one that still delivers very good results.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines elektromagnetischen Aktors, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, for example a control device of an electromagnetic actuator, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for additional tasks and is therefore present anyway. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Such a download can be wired or wired or wireless (e.g. via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G or 6G connection, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
-
1 zeigt schematisch ein Magnetventil, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 shows schematically a solenoid valve in which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form einer Reglerstruktur.2 shows schematically a method for controlling an electromagnetic actuator according to a preferred embodiment of the invention in the form of a controller structure.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In
Mit dem Anker 103 ist ein Steuerschieber 104 verbunden, der in einem Ventilgehäuse 106 hin- und herbewegt werden kann. Der Steuerschieber 104 ist mittels einer Feder 105 gegen ein Ende des Ventilgehäuses 106 abgestützt. Durch Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors 101 wird der Anker 103 bewegt und somit der Ventilschieber 104 gegen die Feder 105 gedrückt. Auf diese Weise lässt sich die Position x des Ankers 103 bzw. des Ventilschiebers 104 verändern. Dazu kann die Ansteuerung der Spule 102 bspw. (über hier nicht gezeigte Anschlüsse) pulsbreitenmoduliert erfolgen.A
Durch die Bewegung des Ventilschiebers 104 wird beispielsweise ein Durchfluss durch das Ventilgehäuse 106 von einem Anschluss A zu einem Anschluss B eingestellt. Es versteht sich, dass die Anschlüsse eines solchen Ventils auch anders ausgestaltet sein können. Ebenso können mehr Anschlüsse, die von einem Ventilschieber gesteuert werden, vorhanden sein.By moving the
Eine solche Anordnung kann als vereinfachtes LTI-Modell in der Form
In
Der Regelstruktur 200 werden ein Sollwert r und ein Istwert y für den Strom durch die Spule 102 zugeführt. Der Sollwert r gibt die gewünschte zeitliche Entwicklung des Ausgangsstroms y an. Einerseits wird der Sollwert r einem Vorsteuerglied 202 als Vorwärtsregler (Feed forward) zugeführt. Andererseits werden Sollwert r und Istwerty zu einer Regelabweichung verrechnet und einem Regelglied 201 als Rückkopplungsregler (Feedback) zugeführt.The
Das Regelglied 201 berechnet aus der Regelabweichung r-y nach Maßgabe einer Regelvorschrift mit Regelungsparametern eine erste Stellgröße ufb das Vorsteuerglied 202 berechnet aus dem Sollwert r nach Maßgabe einer Vorsteuervorschrift mit Vorsteuerparametern eine zweite Stellgröße uff. Aus der ersten und der zweiten Stellgröße wird in einem Summationsglied 203 eine Gesamtstellgröße u berechnet und an die Spule 102 angelegt, woraus sich der Strom y und eine zugehörige Ventilposition ergeben.The
Der Streckeneingang u (Stellgröße) und der Streckenausgang y (Istwert) werden im vorliegenden Beispiel jeweils durch einen linearen Tiefpassfilter 204, 205 gefiltert, um die Signale ua bzw. ya für ein Parameteranpassungsglied 206 zu erzeugen. In dem Parameteranpassungsglied 206 werden Anpassungsparameter ϑ berechnet und an das Regelglied 201 bzw. Vorsteuerglied 202 zurückgeführt, um den Vorwärts- und Rückkopplungsregler zu parametrieren.In the present example, the route input u (manipulated variable) and the route output y (actual value) are each filtered by a linear low-
Das Adaptionsverfahren kann sich insbesondere einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate (least-squares) bedienen. Dafür wird das LTI-Modell (1) in der Standardform ausgedrückt
Zur Berechnung der zeitlichen Ableitung des Stroms y = x und zur Vermeidung von Hochfrequenzrauschen und unmodellierten Effekten kann Gl. (1) mittels linearer Tiefpassfilter Λa gefiltert werden:
Es versteht sich, dass das hier beschriebene Parameterschätzverfahren nur ein Beispiel darstellt und auch andere rekursive Schätzverfahren wie z.B. ein rekursiv umgesetzter Gradientenschätzer verwendet werden können. Das Schätzverfahren kann die ganze Zeit im Betrieb mitlaufen oder z.B. nur in einer Einlernphase, in der z.B. vorbestimmte Teststromverläufe gefahren werden, die eine besonders einfach und genaue Parameterschätzung erlauben. Danach werden die Parameter eingefroren. Dann kann der Ausgang des Parameterschätzers vorteilhaft zu Diagnosezwecken genutzt werden, insbesondere durch Vergleich mit Referenzwerten (z.B. den in der Einlernphase bestimmten), wodurch das Risiko für unerwartete Störeffekte im Betrieb, die die Regelungsparameter ungünstig beeinflussen, reduziert wird.It is understood that the parameter estimation method described here is only an example and that other recursive estimation methods such as a recursively implemented gradient estimator can also be used. The estimation method can run the entire time during operation or, for example, only in a learning phase in which, for example, predetermined test current curves are run, which allow a particularly simple and precise parameter estimation. The parameters are then frozen. The output of the parameter estimator can then be used advantageously for diagnostic purposes, in particular by comparing it with reference values (e.g. those determined in the learning phase), thereby reducing the risk of unexpected disruptive effects during operation that have an unfavorable influence on the control parameters.
Im Unterschied zur klassischen Formulierung von Anpassungsalgorithmen, wo die höchste Ableitung des Systems als Anpassungsausgang gewählt wird, was die mathematische Behandlung vereinfacht, können in der hier gewählten Form der Widerstand und die Induktivität unabhängig voneinander geschätzt werden. Da insbesondere der Widerstand unter stationären Bedingungen geschätzt werden kann, führt diese Formulierung zu einer erheblichen Verbesserung der Robustheit gegenüber Parameterdrifts, die durch geringe Erregung verursacht werden. Zusätzlich können Projektionsmethoden verwendet werden, um strenge Grenzen für die einzelnen Parameter zu garantieren.In contrast to the classic formulation of adaptation algorithms, where the highest derivative of the system is chosen as the adaptation output, which simplifies the mathematical treatment, in the form chosen here the resistance and inductance can be estimated independently of each other. In particular, since the resistance can be estimated under steady-state conditions, this formulation leads to a significant improvement in robustness against parameter drifts caused by low excitation. Additionally, projection methods can be used to guarantee strict limits for each parameter.
Bei Verwendung des geschätzten Parametervektors
Der Normalisierungsfaktor kann weggelassen werden, wenn <p(t) ∈ L∞ d.h. wenn der Vektor im Wesentlichen für alle Zeiten t begrenzt ist. Mit dem Normierungsfaktor m wird jedoch die Anpassungsgeschwindigkeit normalisiert, was die Parameterabstimmung des Anpassungsalgorithmus erleichtert. Darüber hinaus ermöglicht die Projektion den Umgang mit konvexen Parameterbeschränkungen ϑ ∈ S. Bei einer konvexen Menge S ist die orthogonale Projektion von ϑ auf die Menge S die Lösung des Optimierungsproblems
Der Projektionsvektor z kann definiert werden durch
Dabei ist P die positiv definite Verstärkungsmatrix, ϑ und P0I > 0 sind die Anfangsbedingungen, und I bezeichnet die Identitätsmatrix.Here P is the positive definite gain matrix, ϑ and P 0 I > 0 are the initial conditions, and I denotes the identity matrix.
Der (zeitabhängige) Vergessensfaktor
Für eine detailliertere
Die obere Schranke für die Norm der Verstärkungsmatrix kann durch Pmax>0 angegeben werden. Die Parameter βmax, Pmax und die Filterkonstante λα des Tiefpasses ermöglichen eine unabhängige Abstimmung des Anpassungsalgorithmus. Daher kann eine starke Filterung zur Unterdrückung von Rauschen und zur Filterung nicht modellierter Systemdynamik verwendet werden.The upper bound for the norm of the gain matrix can be given by P max >0. The parameters β max , P max and the filter constant λ α of the low pass enable independent tuning of the adaptation algorithm. Therefore, strong filtering can be used to suppress noise and filter unmodeled system dynamics.
Unter Anwendung des Prinzips der Gewissheitsäquivalenz ermöglicht die adaptive Polstellensteuerung (siehe z.B. Petros A. loannou and Jing Sun. Robust Adaptive Control. Dover, New York, USA, 2012.) die Ableitung eines adaptiven Reglers mit Rückkopplung
Der adaptive Rückkopplungsregler (12) ist ein PI-Regler mit Proportional- und Integralverstärkungen, die durch eine adaptive Polplatzierung gemäß folgender Formel parametriert werden:
Zur Verbesserung der Nachführleistung dient der adaptive Vorwärtsregler
Schließlich wird der adaptive Zwei-Grad-Freiheits-Steuereingang wie folgt angegeben:
Wendet man (16) mit (12)-(15) auf (1) an und geht davon aus, dass die Gewissheitsäquivalenz gilt, so dass die geschätzten Parameter L̂ und R̂ ihren realen Werten
Es versteht sich, dass
Es sei darauf hingewiesen, dass der Filter Λc -1 auch in Form einer Rückkopplung implementiert werden kann, siehe Petros A. loannou et al., ebd.It should be noted that the filter Λ c -1 can also be implemented in the form of a feedback, see Petros A. loannou et al., ibid.
Damit wird die Vorwärts- und Rückkopplungsregelung (16) mit (12) - (15) mit dem Parameteranpassungsalgorithmus (11) kombiniert.This combines the feedforward and feedback control (16) with (12) - (15) with the parameter adjustment algorithm (11).
Um das nichtlineare Verhalten der Induktivität als Funktion des Spulenstroms zu berücksichtigen (d.h. L hängt von I ab), können gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung lokale Induktivitätsschätzungen verwendet werden. Dabei wird die nichtlineare Kurve L(1) analog einer Spline-Approximation durch mehrere Anpassungen niedrigerer Ordnung approximiert. So wird die Stromachse in k Segmente aufgeteilt, wobei für alle Segmente ein Index festgelegt wird
Wenngleich die Intervalle im Folgenden für den Stromistwert y gebildet werden, ist dies in gleicher Weise für den Stromsollwert r möglich.Although the intervals below are formed for the actual current value y, this is possible in the same way for the current setpoint value r.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Partitionierung durch die Aufteilung des Eingaberaums in eine beliebige Anzahl von gegenseitig disjunkten polyedrischen Mengen erfolgen kann, die den gesamten Raum abdecken (vollständige polyedrische Partitionierung). Die Grenzen li werden zur Aufteilung der Intervalle eingeführt, also
In ähnlicher Weise sind die entsprechenden Widerstandsschätzungen für dieselben Intervalle definiert durch:
Es sei an dieser Stelle klargestellt, dass der (ohmsche) Widerstand prinzipiell unabhängig vom Strom ist und daher auch für alle Intervalle gleichgesetzt werden kann. Durch eine intervallabhängige unterschiedliche Berechnung können jedoch andere Ungenauigkeiten im Modell korrigiert werden.It should be made clear at this point that the (ohmic) resistance is in principle independent of the current and can therefore be equated for all intervals. However, other inaccuracies in the model can be corrected through an interval-dependent different calculation.
Da die Identifizierungsmessungen nur für ein Intervall gültig sind, wird ein aktiver Index
Für eine robuste Parametrierung kann dann insbesondere ein effektiver Wert für den Anpassungsparameter ϑ aus dem stückweise in Abhängigkeit von dem Strom y berechneten Anpassungsparameter ϑ berechnet werden, z.B. ein Mittelwert, Maximalwert o.ä.For a robust parameterization, an effective value for the adaptation parameter ϑ can then be calculated from the adaptation parameter ϑ calculated piecewise depending on the current y, e.g. an average value, maximum value or similar.
Für eine noch genauere Implementierung des Partitionierungsschemas kann vorteilhafterweise wie folgt verfahren werden:
- a(t) sei eine Schaltfunktion, die den gerade aktiven Index auswählt, und a(t) ∈ J für alle Zeiten t. Ferner sei
- die Schätzung i, die sich aus der Induktivitätsschätzung L̂i und der Widerstandsschätzung R̂i zusammensetzt. Zusätzlich wird die kleinste quadratische Verstärkungsmatrix Pi(t) > 0 eingeführt, die wie der Schätzvektor durch die aktive Indexfunktion (21) geschaltet wird. Mit diesen Definitionen ist der stückweise Kleinste-Quadrate-Algorithmus gegeben durch
- Let a(t) be a switching function that selects the currently active index, and let a(t) ∈ J for all times t. Further be
- the estimate i, which is composed of the inductance estimate L̂ i and the resistance estimate R̂ i . In addition, the smallest square gain matrix P i (t) > 0 is introduced, which, like the estimation vector, is switched by the active index function (21). With these definitions, the piecewise least squares algorithm is given by
Die Wahl der Anzahl der Polyeder zur Partitionierung des Stromraums ist ein Kompromiss zwischen der Anpassung an die Daten und der Vermeidung von Modellkomplexität und Überanpassung. Eine präzise Anpassung lässt sich mit einer feinen Partitionierung erreichen, da viele Stücke (Parameter) zur lokalen Annäherung an die Induktivität verwendet werden können. Eine zu feine Partitionierung führt jedoch zu einer schlechten Verallgemeinerung auf unerregte Regionen im Regressionsraum. Dies hängt mit einem der wichtigsten Aspekte bei stochastischen Identifizierungsmethoden zusammen, dem so genannten Bias-Varianz-Dilemma (vgl. Sergios Theodoridis, Aggelos Pikrakis, Konstantinos Koutroumbas, and Dionisis Cavouras. Introduction to pattern recognition: a matlab approach. Academic Press, 2010).The choice of the number of polyhedra to partition the stream space is a compromise between fitting the data and avoiding model complexity and overfitting. Precise matching can be achieved with fine partitioning because many pieces (parameters) can be used to locally approximate the inductance. However, partitioning that is too fine leads to poor generalization to unexcited regions in the regression space. This is related to one of the most important aspects of stochastic identification methods, the so-called bias-variance dilemma (cf. Sergios Theodoridis, Aggelos Pikrakis, Konstantinos Koutroumbas, and Dionisis Cavouras. Introduction to pattern recognition: a matlab approach. Academic Press, 2010) .
Um dieses Problem zu lösen, sollten die inaktiven Stücke (Parameter) mit neuen Informationen aktualisiert werden. Dabei nutzen Mehrfachschätzungen auch bei Überparametrisierung den Informationsgehalt des Regressionssignals. Diese Aktualisierung muss jedoch auf einer weiteren Kenntnis der Induktivitätskennlinie beruhen. Da diese Charakteristik monoton ist, kann jedes Stück, das diese Eigenschaft verletzen würde, zusammen mit dem aktiven Stück aktualisiert werden. Auf diese Weise können mehrere Stücke gleichzeitig aktualisiert werden, während gleichzeitig eine monotone Induktivitätskennlinie gewährleistet wird. Die stückweisen Kleinstquadrate (24) werden also geändert in
Mit diesem Algorithmus werden alle geschätzten Induktivitätsstücke zusammen mit dem aktiven Stück aktualisiert, wenn die jeweilige Schätzung ansonsten die Monotonie der Induktivität verletzen würde.With this algorithm, all estimated inductance chunks are updated along with the active chunk when the respective estimate would otherwise violate the monotonicity of the inductance.
Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet dreieckige Basisfunktionen zur stückweisen Berechnung der Induktivität.An advantageous embodiment uses triangular basis functions to calculate the inductance piecewise.
In dieser Anmeldung werden Ansätze zur Verbesserung der Identifizierung der Magnetinduktivität vorgestellt. Üblicherweise kann die nichtlineare Induktivitätskennlinie eines Solenoids nicht durch einzelne Polynomfunktionen angenähert werden. Obwohl ein rekursiver Least-Squares-Algorithmus mit einem linearen Induktionsmodell in der Simulation konvergiert, ist dieser Ansatz aufgrund von Modellunsicherheiten und Signalrauschen instabil. Insbesondere der Steigungsparameter und der Offset-Parameter weisen eine signifikante Drift auf und führen zu negativen Induktivitätsschätzungen bei Sollwertänderungen. Dieses Verhalten führt zur Destabilisierung des Reglers.This application presents approaches to improving the identification of magnetic inductance. Typically, the nonlinear inductance characteristic of a solenoid cannot be approximated by individual polynomial functions. Although a recursive least squares algorithm converges with a linear induction model in simulation, this approach is unstable due to model uncertainties and signal noise. In particular, the slope parameter and the offset parameter exhibit significant drift and lead to negative inductance estimates when the setpoint changes. This behavior leads to destabilization of the controller.
Der Ansatz der lokalen Identifikation durch Modelle niedriger Ordnung behebt diese Nachteile und führt zu einer sehr schnellen und präzisen Induktivitätsidentifikation. Dies kann auf die Identifikation der stückweise konstanten Induktivität erweitert werden. Die Erfindung zeigt sehr gute Ergebnisse, sowohl hinsichtlich der Rechenkomplexität als auch der Fähigkeit, die nichtlineare Sättigung der Magnetinduktivität zu approximieren.The local identification approach through low-order models overcomes these disadvantages and leads to very fast and precise inductance identification. This can be extended to the identification of the piecewise constant inductance. The invention shows very good results, both in terms of computational complexity and the ability to approximate the nonlinear saturation of the magnetic inductance.
Eine weitere Modifikation des Anpassungsschemas nutzt die bekannte Eigenschaft der Monotonie der angepassten Kennlinie. Die Nutzung dieses Wissens kann das Einschwingverhalten bei stückweiser Identifikation drastisch verbessern, insbesondere wenn einige Stromintervalle nur spärlich angeregt werden. In diesem Fall kann die Information der Messungen zur Aktualisierung mehrerer Parameter verwendet werden, wenn ihre Beziehung zueinander a priori bekannt ist.A further modification of the adaptation scheme uses the well-known property of the monotonicity of the adapted characteristic curve. Leveraging this knowledge can dramatically improve transient response in piecewise identification, especially when some current intervals are only sparsely excited. In this case, the information from the measurements can be used to update several parameters if their relationship to each other is known a priori.
Es wird ein vollständiges adaptives Zwei-Grad-Freiheits-Regelungsschema für einen Magneten vorgestellt, wobei sogar konstante Parameter für eine sehr schnelle und präzise Steuerung verwendet werden können. Dieser Ansatz eignet sich sehr gut für die adaptive Steuerung eines breiten Spektrums von Elektromagneten und wurde experimentell für mehrere Elektromagnete validiert. Darüber hinaus wurde durch geeignete Modifikationen eine verbesserte Leistung hinsichtlich der nichtlinearen Sättigungseigenschaften in der Simulation erreicht. Die vorgeschlagene stückweise Identifikation ist ein flexibler Ansatz zur Identifikation nichtlinearer charakteristischer Funktionen und Flächen. Er kombiniert eine geringe Rechen- und Implementierungskomplexität mit einer präzisen Verfolgungsfähigkeit. Dabei können zusätzliche Modifikationen des Anpassungsschemas das Einschwingverhalten und die Robustheit des Ansatzes weiter verbessern.A complete two-degree-of-freedom adaptive control scheme for a magnet is presented, where even constant parameters can be used for very fast and precise control. This approach is very suitable for the adaptive control of a wide range of electromagnets and has been experimentally validated for several electromagnets. Furthermore, through appropriate modifications, improved performance in terms of nonlinear saturation properties in the simulation was achieved. The proposed piecewise identification is a flexible approach to identify nonlinear characteristic functions and surfaces. It combines low computational and implementation complexity with precise tracking capability. Additional modifications to the adaptation scheme can further improve the transient response and robustness of the approach.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Analyse der Algorithmen zur Anpassung der kleinsten Quadrate sei auf J.E. Parkum, N.K. Poulsen, and J. Holst. Selective forgetting in adaptive procedures. In Proc. IFAC World Congress, pages 137 - 142, Tallinn, Estonia, 1990. oder Vitaly Shaferman, Michael Schwegel, Tobias Glück, and Andreas Kugi. Continuous-time least-squares forgetting algorithms for indirect adaptive control. European Journal of Control, 2021 [0028]Analysis of the least squares fitting algorithms is provided by J.E. Parkum, N.K. Poulsen, and J. Holst. Selective forgetting in adaptive procedures. In Proc. IFAC World Congress, pages 137 - 142, Tallinn, Estonia, 1990. or Vitaly Shaferman, Michael Schwegel, Tobias Glück, and Andreas Kugi. Continuous-time least-squares forgetting algorithms for indirect adaptive control. European Journal of Control, 2021 [0028]
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DE (1) | DE102022203549A1 (en) |
-
2022
- 2022-04-08 DE DE102022203549.6A patent/DE102022203549A1/en active Pending
Non-Patent Citations (1)
Title |
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Analyse der Algorithmen zur Anpassung der kleinsten Quadrate sei auf J.E. Parkum, N.K. Poulsen, and J. Holst. Selective forgetting in adaptive procedures. In Proc. IFAC World Congress, pages 137 - 142, Tallinn, Estonia, 1990. oder Vitaly Shaferman, Michael Schwegel, Tobias Glück, and Andreas Kugi. Continuous-time least-squares forgetting algorithms for indirect adaptive control. European Journal of Control, 2021 |
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