DE102022203549A1 - Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator - Google Patents

Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator Download PDF

Info

Publication number
DE102022203549A1
DE102022203549A1 DE102022203549.6A DE102022203549A DE102022203549A1 DE 102022203549 A1 DE102022203549 A1 DE 102022203549A1 DE 102022203549 A DE102022203549 A DE 102022203549A DE 102022203549 A1 DE102022203549 A1 DE 102022203549A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
parameter
adaptation
manipulated variable
control
electromagnetic actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022203549.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Schwegel
Andreas Kugi
Tobias Glück
Adrian Trachte
Jan Gebauer
Michael Hilsch
Norman Brix
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102022203549.6A priority Critical patent/DE102022203549A1/en
Publication of DE102022203549A1 publication Critical patent/DE102022203549A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1855Monitoring or fail-safe circuits using a stored table to deduce one variable from another

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

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 1 ist schematisch ein Magnetventil 100 gezeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Magnetventil 100, das vorliegend als Proportionalventil ausgebildet ist, weist einen elektromagnetischen Aktor 101 auf, welcher wiederum eine Spule 102 und einen darin beweglichen Anker 103 aufweist.In 1 A solenoid valve 100 is shown schematically, in which a method according to the invention can be carried out. The solenoid valve 100, which in the present case is designed as a proportional valve, has an electromagnetic actuator 101, which in turn has a coil 102 and an armature 103 movable therein.

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 control slide 104 is connected to the armature 103 and can be moved back and forth in a valve housing 106. The control slide 104 is supported against one end of the valve housing 106 by means of a spring 105. By activating the electromagnetic actuator 101, the armature 103 is moved and the valve slide 104 is thus pressed against the spring 105. In this way, the position x of the armature 103 or the valve slide 104 can be changed. For this purpose, the coil 102 can be controlled using pulse width modulation, for example (via connections not shown here).

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 valve slide 104, for example, a flow through the valve housing 106 from a port A to a port B is adjusted. It goes without saying that the connections of such a valve can also be designed differently. Likewise, there can be more connections that are controlled by a valve slide.

Eine solche Anordnung kann als vereinfachtes LTI-Modell in der Form L ¯ d x d t = u R ¯ x

Figure DE102022203549A1_0001
mit γ= x, den konstanten, unbekannten Parametern ̂̅L(Induktivität der Spule 102) und R (elek. Widerstand der Spule), der mittleren Eingangsspannung u und dem mittleren Strom x = l als Grundlage für den Reglerentwurf verwendet werden.Such an arrangement can be presented as a simplified LTI model in the form L ¯ d x d t = u R ¯ x
Figure DE102022203549A1_0001
with γ = x, the constant, unknown parameters ̂̅L (inductance of the coil 102) and R (electrical resistance of the coil), the average input voltage u and the average current x = l be used as a basis for the controller design.

In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer vorgeschlagenen allgemeinen Struktur 200 der adaptiven Steuerung schematisch dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Diese dient zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Aktors, wie z.B. des Aktors 101 gemäß 1 und kann insbesondere in einer Recheneinheit wie einem (Ventil-)Steuergerät implementiert sein.In 2 is a preferred embodiment of a proposed general structure 200 of the adaptive control shown schematically and designated overall by 200. This is used to control an electromagnetic actuator, such as the actuator 101 according to 1 and can in particular be implemented in a computing unit such as a (valve) control device.

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 control structure 200 is supplied with a setpoint r and an actual value y for the current through the coil 102. The setpoint r indicates the desired development of the output current y over time. On the one hand, the setpoint r is fed to a pilot control element 202 as a feed forward. On the other hand, the setpoint r and actual value y are calculated into a control deviation and fed to a control element 201 as a feedback controller.

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 control element 201 calculates a first manipulated variable u fb from the control deviation ry in accordance with a control regulation with control parameters. The input control element 202 calculates a second manipulated variable u ff from the setpoint r in accordance with a input control regulation with input control parameters. A total manipulated variable u is calculated from the first and second manipulated variables in a summation element 203 and applied to the coil 102, resulting in the current y and an associated valve position.

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-pass filter 204, 205 in order to generate the signals u a and y a for a parameter adaptation element 206. In the parameter adaptation element 206, adaptation parameters ϑ are calculated and fed back to the control element 201 or feedforward control element 202 in order to parameterize the forward and feedback controller.

Das Adaptionsverfahren kann sich insbesondere einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate (least-squares) bedienen. Dafür wird das LTI-Modell (1) in der Standardform ausgedrückt z = φ T ϑ *

Figure DE102022203549A1_0002
wobei z ∈ ℝ den Ausgang der Adaption darstellt, ϑ* ∈ ℝ2 der echte Parametervektor ist und φ ∈ ℝ2 der Regeressionsvektor ist.The adaptation process can in particular use a recursive least squares method. For this purpose, the LTI model (1) is expressed in the standard form e.g = φ T ϑ *
Figure DE102022203549A1_0002
where z ∈ ℝ represents the output of the adaptation, ϑ* ∈ ℝ 2 is the real parameter vector and φ ∈ ℝ 2 is the regression vector.

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: Λ a ( s ) = λ a s + λ a

Figure DE102022203549A1_0003
mit der Laplace-Variablen s und der Filterkonstanten λa > 0. Zusammen mit den gefilterten Eingangs- und Ausgangsgrößen u a = Λ a u  und  y a = Λ a   y
Figure DE102022203549A1_0004
wird der gefilterte Systemeingang ua als Ausgang der rekursiven Methode der kleinsten Quadrate gewählt, d.h. z = ua. In diesem Fall wird der Regressionsvektor zu φ T = [ d t d t 1 ] y a ,
Figure DE102022203549A1_0005
und der ideale Parametervektor ergibt sich zu ( ϑ * ) T = [ L ¯ R ¯ ] .
Figure DE102022203549A1_0006
To calculate the time derivative of the current y = x and to avoid high-frequency noise and unmodeled effects, Eq. (1) can be filtered using linear low-pass filters Λ a : Λ a ( s ) = λ a s + λ a
Figure DE102022203549A1_0003
with the Laplace variable s and the filter constant λ a > 0. Together with the filtered input and output variables u a = Λ a u and y a = Λ a y
Figure DE102022203549A1_0004
the filtered system input u a is chosen as the output of the recursive least squares method, i.e. z = u a . In this case the regression vector becomes φ T = [ d t d t 1 ] y a ,
Figure DE102022203549A1_0005
and the ideal parameter vector is given by ( ϑ * ) T = [ L ¯ R ¯ ] .
Figure DE102022203549A1_0006

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 ϑ T = [ L ^ R ^ ] ,

Figure DE102022203549A1_0007
kann ein Schätzfehler ε eingeführt werden ε = z φ T ϑ m 2 ,
Figure DE102022203549A1_0008
mit dem Normalisierungsfaktor m2 = 1 + φTφ.When using the estimated parameter vector ϑ T = [ L ^ R ^ ] ,
Figure DE102022203549A1_0007
an estimation error ε can be introduced ε = e.g φ T ϑ m 2 ,
Figure DE102022203549A1_0008
with the normalization factor m 2 = 1 + φ T φ.

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 P ϑ ( ϑ ) = arg  min v S v ϑ 2 2 .

Figure DE102022203549A1_0009
The normalization factor can be omitted if <p(t) ∈ L i.e. if the vector is essentially bounded for all times t. However, the adjustment speed is normalized with the normalization factor m, which facilitates the parameter tuning of the adjustment algorithm. In addition, the projection allows dealing with convex parameter constraints ϑ ∈ S. Given a convex set S, the orthogonal projection of ϑ onto the set S is the solution to the optimization problem P ϑ ( ϑ ) = bad min v S v ϑ 2 2 .
Figure DE102022203549A1_0009

Der Projektionsvektor z kann definiert werden durch Π ϑ ( ϑ , z ) = l i m η 0 P ϑ ( ϑ + η z ) ϑ η ,

Figure DE102022203549A1_0010
mit der konvexen Menge S = {ϑ ∈ IR2|g(ϑ) ≤ 0}, deren Rand δS und Innenraum S0. Dabei beschreibt die Ungleichung g(ϑ) ≤ 0 die Menge S im Parameterraum. Zur Schätzung des Parametervektors ϑ kann insbesondere der sogenannte „continuous-time constrained bounded-gain forgetting least-squares algorithm“ aus Jean-Jacques E. Slotine and Weiping Li. Applied nonlinear control. Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1991. verwendet und um den oben beschriebenen Projektionsalgorithmus erweitert werden. Daraus ergibt sich d dt ϑ = Π ϑ ( ϑ , P φ ε ) , ϑ ( 0 ) = ϑ 0 ,
Figure DE102022203549A1_0011
d dt P = Π P ( ϑ , β P P φ φ T m 2 P ) , P ( 0 ) = P 0 I ,
Figure DE102022203549A1_0012
mit Π P ( ϑ , ) = {  if  ϑ S  or ( if  ϑ δ S  and ( P φ ε ) T   g 0 )   0  otherwise .
Figure DE102022203549A1_0013
The projection vector z can be defined by Π ϑ ( ϑ , e.g ) = l i m η 0 P ϑ ( ϑ + η e.g ) ϑ η ,
Figure DE102022203549A1_0010
with the convex set S = {ϑ ∈ IR 2 |g(ϑ) ≤ 0}, whose boundary δS and interior S 0 . The inequality g(ϑ) ≤ 0 describes the set S in the parameter space. To estimate the parameter vector ϑ, the so-called “continuous-time constrained bounded-gain forgetting least-squares algorithm” from Jean-Jacques E. Slotine and Weiping Li. Applied nonlinear control can be used in particular. Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1991. can be used and expanded to include the projection algorithm described above. This results in d German ϑ = Π ϑ ( ϑ , P φ ε ) , ϑ ( 0 ) = ϑ 0 ,
Figure DE102022203549A1_0011
d German P = Π P ( ϑ , β P P φ φ T m 2 P ) , P ( 0 ) = P 0 I ,
Figure DE102022203549A1_0012
with Π P ( ϑ , ) = { if ϑ S or ( if ϑ δ S and ( P φ ε ) T G 0 ) 0 otherwise .
Figure DE102022203549A1_0013

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 β = β max ( 1 P P max )

Figure DE102022203549A1_0014
garantiert eine obere und untere Schranke für die Verstärkungsmatrix P und einen maximalen Vergessensfaktor von βmax, siehe Jean-Jacques E. Slotine et al, ebd.The (time-dependent) forgetting factor β = β Max ( 1 P P Max )
Figure DE102022203549A1_0014
guarantees an upper and lower bound for the gain matrix P and a maximum forgetting factor of β max , see Jean-Jacques E. Slotine et al, ibid.

Für eine detailliertere 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 . verwiesen.For a more detailed one Analysis of the least squares adaptation algorithms can be found on JE Parkum, NK 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 . referred.

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 u f b = Λ c 1 0 t ( k ^ p Λ c e ˙ + k ^ i Λ c e )  d τ ,

Figure DE102022203549A1_0015
mit der Regelabweichung e = r - y und dem Kontrollfilter Λ c ( s ) = λ c s + λ c
Figure DE102022203549A1_0016
wobei λc > 0 die Filterkonstante bezeichnet. Der Kontrollfilter λc dient im Wesentlichen der theoretischen Betrachtung und kann in der Praxis entfallen, d.h. Λc=1.Using the principle of certainty equivalence, adaptive pole control (see e.g. Petros A. loannou and Jing Sun. Robust Adaptive Control. Dover, New York, USA, 2012.) enables the derivation of an adaptive controller with feedback u f b = Λ c 1 0 t ( k ^ p Λ c e ˙ + k ^ i Λ c e ) d τ ,
Figure DE102022203549A1_0015
with the control deviation e = r - y and the control filter Λ c ( s ) = λ c s + λ c
Figure DE102022203549A1_0016
where λ c > 0 denotes the filter constant. The control filter λ c is essentially used for theoretical considerations and can be omitted in practice, ie Λ c =1.

Der adaptive Rückkopplungsregler (12) ist ein PI-Regler mit Proportional- und Integralverstärkungen, die durch eine adaptive Polplatzierung gemäß folgender Formel parametriert werden: k ^ p = L ^ α 1 * R ^  und  k ^ i = L ^ α 0 *

Figure DE102022203549A1_0017
mit konstanten Koeffizienten α 1 * > 0
Figure DE102022203549A1_0018
und α 0 * > 0.
Figure DE102022203549A1_0019
The adaptive feedback controller (12) is a PI controller with proportional and integral gains that are parameterized by adaptive pole placement according to the following formula: k ^ p = L ^ α 1 * R ^ and k ^ i = L ^ α 0 *
Figure DE102022203549A1_0017
with constant coefficients α 1 * > 0
Figure DE102022203549A1_0018
and α 0 * > 0.
Figure DE102022203549A1_0019

Zur Verbesserung der Nachführleistung dient der adaptive Vorwärtsregler u ff = Λ c 1 ( L ^ Λ c r ˙ + R ^ Λ c r )

Figure DE102022203549A1_0020
The adaptive forward controller is used to improve the tracking performance u ff = Λ c 1 ( L ^ Λ c r ˙ + R ^ Λ c r )
Figure DE102022203549A1_0020

Schließlich wird der adaptive Zwei-Grad-Freiheits-Steuereingang wie folgt angegeben: u = u f f + u f b

Figure DE102022203549A1_0021
Finally, the two-degree-of-freedom adaptive control input is specified as follows: u = u f f + u f b
Figure DE102022203549A1_0021

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 L bzw. R entsprechen, ergibt sich das Fehlersystem im geschlossenen Regelkreis e ¨ c + α 1 * e ˙ c + α 0 * e c = 0

Figure DE102022203549A1_0022
mit ec = Λce.Applying (16) with (12)-(15) to (1) and assuming that certainty equivalence holds, so that the estimated parameters L̂ and R̂ correspond to their real values L or. R correspond, the error system results in a closed control loop e ¨ c + α 1 * e ˙ c + α 0 * e c = 0
Figure DE102022203549A1_0022
with e c = Λ c e.

Es versteht sich, dass α 0 *

Figure DE102022203549A1_0023
und α 1 *
Figure DE102022203549A1_0024
durch Polplatzierung so gewählt werden, dass die Fehlerdynamik (17) im geschlossenen Regelkreis exponentiell stabil ist und eine gewünschte Abklingrate aufweist.It is understood that α 0 *
Figure DE102022203549A1_0023
and α 1 *
Figure DE102022203549A1_0024
can be selected by pole placement so that the error dynamics (17) in the closed control loop is exponentially stable and has a desired decay rate.

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 I = { 1, , k } .

Figure DE102022203549A1_0025
To account for the nonlinear behavior of inductance as a function of coil current (ie, L depends on I), local inductance estimates may be used according to preferred embodiments of the invention. The nonlinear curve L(1) is approximated by several adjustments of a lower order, analogous to a spline approximation. The current axis is divided into k segments, with an index being defined for all segments I = { 1, , k } .
Figure DE102022203549A1_0025

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 i I \ { k } .

Figure DE102022203549A1_0026
Die trivialen Grenzen l0=-∞ und lk=∞ werden für eine einheitliche Schreibweise verwendet. Außerdem wird die direkte Abhängigkeit der Signale von der Zeit t weggelassen, wenn sie sich aus dem Zusammenhang ergibt. Es wird angenommen, dass die geschätzte Induktivität L̂(y) eine stückweise konstante Funktion des Magnetspulenstroms y ist. Die konstante Induktivität über das Intervall i wird mit Lji bezeichnet: L ^ ( y ) = { L ^ 1  for  l 0 y l 1 L ^ 2  for  l 1 < y l 2 L ^ k  for  l k 1 < y l k
Figure DE102022203549A1_0027
Note that this partitioning can be done by dividing the input space into any number of mutually disjoint polyhedral sets covering the entire space (full polyhedral partitioning). The limits l i are introduced to divide the intervals, i.e i I \ { k } .
Figure DE102022203549A1_0026
The trivial limits l 0 =-∞ and l k =∞ are used for a consistent notation. In addition, the direct dependence of the signals on time t is omitted if it results from the context. The estimated inductance L̂(y) is assumed to be a piecewise constant function of the solenoid current y. The constant inductance over the interval i is denoted by L ji : L ^ ( y ) = { L ^ 1 for l 0 y l 1 L ^ 2 for l 1 < y l 2 L ^ k for l k 1 < y l k
Figure DE102022203549A1_0027

In ähnlicher Weise sind die entsprechenden Widerstandsschätzungen für dieselben Intervalle definiert durch: R ^ ( y ) = { R ^ 1  for  l 0 y l 1 R ^ 2  for  l 1 < y l 2 R ^ k  for  l k 1 < y l k

Figure DE102022203549A1_0028
Similarly, the corresponding resistance estimates for the same intervals are defined by: R ^ ( y ) = { R ^ 1 for l 0 y l 1 R ^ 2 for l 1 < y l 2 R ^ k for l k 1 < y l k
Figure DE102022203549A1_0028

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 a ( y f ( t ) ) = { 1  for  l 0 y f l 1 2  for  l 1 < y l 2 k  for  l k 1 < y f l k

Figure DE102022203549A1_0029
eingeführt, um das Intervall zu bezeichnen, das die gefilterte Magnetstrommessung yf(t) enthält. Zur Identifizierung wird das gefilterte Signal yf(t) verwendet, um das aktive Intervall a(yf(t)) zu finden, das die Phasenverschiebung der gefilterten Regressionssignale <p(t) im Algorithmus der kleinsten Quadrate berücksichtigt.Since the identification measurements are only valid for one interval, an active index a ( y f ( t ) ) = { 1 for l 0 y f l 1 2 for l 1 < y l 2 k for l k 1 < y f l k
Figure DE102022203549A1_0029
introduced to denote the interval containing the filtered magnetic current measurement yf(t). For identification, the filtered signal yf(t) is used to find the active interval a(y f (t)), which takes into account the phase shift of the filtered regression signals <p(t) in the least squares algorithm.

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 ϑ i ( t ) = [ L ^ i R ^ i ]
    Figure DE102022203549A1_0030
  • 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 P ˙ i = { β P i P i φ φ T P i ,  if  i = a ( t ) 0 ,  if  i a ( t )
    Figure DE102022203549A1_0031
    ϑ ˙ i = { P i φ ε i ,  if  i = a ( t ) 0 ,  if  i a ( t )
    Figure DE102022203549A1_0032
    wobei der Schätzungsfehler ε i = z φ T ϑ i
    Figure DE102022203549A1_0033
    von dem jeweiligen Schätzvektor abhängt. Es ist leicht zu erkennen, dass jeder Parametervektor ϑi, und jede Verstärkungsmatrix Pi, i ∈ J konstant gehalten wird, mit Ausnahme des aktiven Parametervektors ϑa(t) und der Verstärkungsmatrix Pa(t). Somit kann der Algorithmus als ein Least-Squares-Algorithmus mit einem geschalteten Zustand und einem Speicher für die inaktiven Zustände betrachtet werden, d.h. in anderen Worten bei der Berechnung eines Stücks ϑi des wenigstens einen Anpassungsparameters werden andere Stücke nicht verändert.
For an even more precise implementation of the partitioning scheme, one can advantageously proceed as follows:
  • Let a(t) be a switching function that selects the currently active index, and let a(t) ∈ J for all times t. Further be ϑ i ( t ) = [ L ^ i R ^ i ]
    Figure DE102022203549A1_0030
  • 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 P ˙ i = { β P i P i φ φ T P i , if i = a ( t ) 0 , if i a ( t )
    Figure DE102022203549A1_0031
    ϑ ˙ i = { P i φ ε i , if i = a ( t ) 0 , if i a ( t )
    Figure DE102022203549A1_0032
    where is the estimation error ε i = e.g φ T ϑ i
    Figure DE102022203549A1_0033
    depends on the respective estimation vector. It is easy to see that each parameter vector ϑ i , and each gain matrix P i , i ∈ J is kept constant, except for the active parameter vector ϑ a(t) and the gain matrix P a(t) . Thus, the algorithm can be viewed as a least squares algorithm with a switched state and a memory for the inactive states, that is, in other words, when calculating a piece ϑ i of the at least one adaptation parameter, other pieces are not changed.

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 P ˙ i = { β P i P i φ φ T P i ,  if  i = a ( t ) 0 ,  if  i a ( t )

Figure DE102022203549A1_0034
ϑ ˙ i = { P i φ ε i ,  if  i = a ( t ) or ( i < a ( t )  and  ϑ i ϑ a ( t ) ) or ( i > a ( t )  and  ϑ i ϑ a ( t ) ) 0 ,  else .
Figure DE102022203549A1_0035
To solve this problem, the inactive pieces (parameters) should be updated with new information. Multiple estimates use the information content of the regression signal even when over-parameterized. This update However, the calculation must be based on further knowledge of the inductance characteristic. Since this characteristic is monotonic, any piece that would violate this property can be updated along with the active piece. This allows multiple pieces to be updated simultaneously while ensuring a monotonic inductance characteristic. So the piecewise least squares (24) are changed to P ˙ i = { β P i P i φ φ T P i , if i = a ( t ) 0 , if i a ( t )
Figure DE102022203549A1_0034
ϑ ˙ i = { P i φ ε i , if i = a ( t ) or ( i < a ( t ) and ϑ i ϑ a ( t ) ) or ( i > a ( t ) and ϑ i ϑ a ( t ) ) 0 , else .
Figure DE102022203549A1_0035

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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

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]

Claims (18)

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, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert (y) und die Gesamtstellgröße (u) einem Parameteranpassungsglied (206) zugeführt werden, welches daraus wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) zur Anpassung der Regelungsparameter berechnet.Method for parameterizing a current controller (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 is supplied and that a first manipulated variable (u fb ) is calculated from the control deviation in accordance with a control regulation with control parameters, 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 overall manipulated variable ( u) is generated, characterized in that the actual value (y) and the total manipulated variable (u) are fed to a parameter adaptation element (206), which calculates at least one adaptation parameter (ϑ) for adapting the control parameters. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Anpassungsparameter (ϑ) ausgewählt ist aus einem elektrischen Widerstand (R) und einer Induktivität (L) des elektromagnetischen Aktors (101).Procedure according to Claim 1 , wherein the at least one adaptation parameter (ϑ) is selected from an electrical resistance (R) and an inductance (L) of the electromagnetic actuator (101). Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Regelvorschrift umfasst: u f b = Λ c 1 0 t ( k ^ p Λ c e ˙ + k ^ i Λ c e )  d τ ,
Figure DE102022203549A1_0036
mit der ersten Stellgröße ufb, der Zeit t, einer Proportionalverstärkung k̂p, einer Integralverstärkung k̂i, einer Regelabweichung e als Differenz zwischen dem Sollwert (r) und dem Istwert (y) und einem Kontrollfilter Λ c ( s ) = λ c s + λ c ,
Figure DE102022203549A1_0037
wobei s die Laplace-Variable und λc > 0 die Filterkonstante bezeichnet, oder Λc=1.
Procedure according to Claim 2 , whereby the rule includes: u f b = Λ c 1 0 t ( k ^ p Λ c e ˙ + k ^ i Λ c e ) d τ ,
Figure DE102022203549A1_0036
with the first manipulated variable u fb , the time t, a proportional gain k̂ p , an integral gain k̂ i, a control deviation e as the difference between the setpoint (r) and the actual value (y) and a control filter Λ c ( s ) = λ c s + λ c ,
Figure DE102022203549A1_0037
where s is the Laplace variable and λ c > 0 is the filter constant, or Λ c =1.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Proportionalverstärkung k̂p und die Integralverstärkungen k̂p berechnet werden gemäß: k ^ p = L ^ α 1 * R ^  und  k ^ i = L ^ α 0 *
Figure DE102022203549A1_0038
mit konstanten Koeffizienten α 1 * > 0
Figure DE102022203549A1_0039
und α 0 * > 0.
Figure DE102022203549A1_0040
Procedure according to Claim 3 , where the proportional gain k̂ p and the integral gains k̂ p are calculated according to: k ^ p = L ^ α 1 * R ^ and k ^ i = L ^ α 0 *
Figure DE102022203549A1_0038
with constant coefficients α 1 * > 0
Figure DE102022203549A1_0039
and α 0 * > 0.
Figure DE102022203549A1_0040
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stromregler (200) ein Vorsteuerglied (202) aufweist, dem der Sollwert (r) zugeführt wird und das aus dem Sollwert (r) nach Maßgabe einer Vorsteuervorschrift mit Vorsteuerparametern eine zweite Stellgröße (uff) berechnet, wobei die Gesamtstellgröße (u) aus der ersten und der zweiten Stellgröße berechnet wird, wobei das Parameteranpassungsglied (206) die Anpassungsparameter (ϑ) auch zur Anpassung der Vorsteuerparameter berechnet.Method according to one of the preceding claims, wherein the current regulator (200) has a pilot control element (202) to which the setpoint value (r) is supplied and which calculates a second manipulated variable (u ff ) from the setpoint value (r) in accordance with a pilot control rule with pilot control parameters , whereby the total manipulated variable (u) is calculated from the first and second manipulated variables, the parameter adaptation element (206) also calculating the adaptation parameters (ϑ) to adapt the pilot control parameters. Verfahren nach Anspruch 5 und 2 wobei die Vorsteuervorschrift umfasst u ff = Λ c 1 ( L ^ Λ c r ˙ + R ^ Λ c r )
Figure DE102022203549A1_0041
mit der zweiten Stellgröße uff, und einem Kontrollfilter Λ c ( s ) = λ c s + λ c ,
Figure DE102022203549A1_0042
wobei s die Laplace-Variable und λc > 0 die Filterkonstante bezeichnet, oder λc = 1.
Procedure according to Claim 5 and 2 whereby the input tax provision includes u ff = Λ c 1 ( L ^ Λ c r ˙ + R ^ Λ c r )
Figure DE102022203549A1_0041
with the second manipulated variable u ff , and a control filter Λ c ( s ) = λ c s + λ c ,
Figure DE102022203549A1_0042
where s denotes the Laplace variable and λ c > 0 the filter constant, or λ c = 1.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Parameteranpassungsglied (206) den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) gemäß einer rekursiven Schätzmethode berechnet, insbesondere gemäß einer rekursiven Methode der kleinsten Quadrate oder gemäß einem rekursiv umgesetzten Gradientenschätzer.Method according to one of the preceding claims, wherein the parameter adaptation element (206) calculates the at least one adaptation parameter (ϑ) according to a recursive estimation method, in particular according to a recursive least squares method or according to a recursively implemented gradient estimator. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Istwert (y) und die Gesamtstellgröße (u) nach Maßgabe eines Filters, insbesondere Tiefpasses, gefiltert werden, und die gefilterten Größen dem Parameteranpassungsglied (206) zugeführt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the actual value (y) and the total manipulated variable (u) are filtered in accordance with a filter, in particular a low pass, and the filtered variables are fed to the parameter adaptation element (206). Verfahren nach Anspruch 7 und 8, wobei die gefilterte Gesamtstellgröße (u) als Ausgang der rekursiven Schätzmethode gewählt wird.Procedure according to Claim 7 and 8th , where the filtered total manipulated variable (u) is chosen as the output of the recursive estimation method. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Parameteranpassungsglied (206) den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) wiederholt während des Betriebs zur Anpassung der Regelungsparameter berechnet, oder wobei das Parameteranpassungsglied (206) den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) zu einem Einlernzeitpunkt zur Anpassung der Regelungsparameter berechnet und wiederholt während des Betriebs zur Diagnose berechnet.Method according to one of the preceding claims, wherein the parameter adaptation element (206) calculates the at least one adaptation parameter (ϑ) repeatedly during operation to adapt the control parameters, or wherein the parameter adaptation element (206) calculates the at least one adaptation parameter (ϑ) at a teach-in time to adapt the Control parameters calculated and repeatedly calculated during operation for diagnosis. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Parameteranpassungsglied (206) den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) stückweise in Abhängigkeit von dem Istwert (y) oder dem Sollwert (r) des Stroms durch den elektromagnetischen Aktor berechnet.Method according to one of the preceding claims, wherein the parameter adaptation element (206) calculates the at least one adaptation parameter (ϑ) piece by piece depending on the actual value (y) or the setpoint value (r) of the current through the electromagnetic actuator. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein effektiver Wert für den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) aus dem stückweise in Abhängigkeit von dem Istwert (y) oder dem Sollwert (r) des Stroms durch den elektromagnetischen Aktor berechneten wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) berechnet wird.Procedure according to Claim 11 , where an effective value for the at least one adaptation parameter (ϑ) from the piecewise depending on the actual value (y) or the setpoint (r) of the current through the electromagnetic actuator calculated at least one adjustment parameter (ϑ) is calculated. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Parameteranpassungsglied (206) den wenigstens einen Anpassungsparameter (ϑ) stückweise konstant oder linear berechnet.Procedure according to Claim 11 or 12 , wherein the parameter adaptation element (206) calculates the at least one adaptation parameter (ϑ) in a piecewise constant or linear manner. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Parameteranpassungsglied (206) bei der Berechnung eines Stücks des wenigstens einen Anpassungsparameters (ϑ) andere Stücke nicht verändert.Procedure according to one of the Claims 11 until 13 , wherein the parameter adaptation element (206) does not change other pieces when calculating a piece of the at least one adaptation parameter (ϑ). Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Parameteranpassungsglied (206) bei der Berechnung eines Stücks des wenigstens einen Anpassungsparameters (ϑ) andere Stücke verändert, wenn ansonsten kein monotoner Verlauf des wenigstens einen Anpassungsparameters (ϑ) erreicht wird.Procedure according to one of the Claims 11 until 13 , wherein the parameter adaptation element (206) changes other pieces when calculating a piece of the at least one adaptation parameter (ϑ), if a monotonic course of the at least one adaptation parameter (ϑ) is otherwise not achieved. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Computing unit which is set up to carry out all method steps of a method according to one of the preceding claims. Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.Computer program that causes a computing unit to carry out all process steps of a process according to one of the Claims 1 until 15 to be carried out when it is executed on the computing unit. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 17.Machine-readable storage medium with a computer program stored on it Claim 17 .
DE102022203549.6A 2022-04-08 2022-04-08 Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator Pending DE102022203549A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022203549.6A DE102022203549A1 (en) 2022-04-08 2022-04-08 Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022203549.6A DE102022203549A1 (en) 2022-04-08 2022-04-08 Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022203549A1 true DE102022203549A1 (en) 2023-10-12

Family

ID=88093947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022203549.6A Pending DE102022203549A1 (en) 2022-04-08 2022-04-08 Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022203549A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2185980B1 (en) Method for computer-aided control and/or regulation using neural networks
DE102004019352B4 (en) State-based adaptive feedback / feedforward PID controller (PID control unit)
DE102007017259B4 (en) Method for computer-aided control and / or regulation of a technical system
DE602006000128T2 (en) control
EP0985170B1 (en) Method for controlling a time-lagged process with compensation, and a controlling device for carrying out said method
DE10341573A1 (en) Integrated model-based predictive control and optimization within a process control system
EP2579112B1 (en) Regulating device
EP2962161A1 (en) Method for designing a nonlinear controller for nonlinear processes
WO1999022276A1 (en) Method for adjusting the control parameters of a status controller
EP0870219A1 (en) Method of controlling a self-compensating process subject to deceleration, and control device for carrying out the method
EP1119799A1 (en) Controlling system for regulating a system with several coupled controlled variables
DE2900336A1 (en) PROCESS AND EQUIPMENT FOR CONTROLLING VALVES OF A STEAM TURBINE WHEN CHANGING THE OPERATING MODE
DE102022203549A1 (en) Method and computing unit for parameterizing a current controller for an electromagnetic actuator
DE602006000731T2 (en) Auto-adaptive adjustment device for position control of actuators in a drive system by means of sliding mode method and corresponding operating method
EP0752630A1 (en) Self-adjusting controlling device and method for the self-adjustment of this device
EP3542229B1 (en) Device and method for determining the parameters of a control device
EP1217472B1 (en) Method for controlling a process having delay with compensation as well as control device for carrying out the method
DE4100064A1 (en) Elimination of reset wind-up effect in digitally regulated systems - is provided by processing units setting input command limits
DE102014003084A1 (en) Digital hydraulic drive system
EP2171547A1 (en) Method and device for adjusting a regulating device
EP0827602B1 (en) Arrangement for modelling a dynamic process
DE102016209387A1 (en) Method for setting a setting law for a sliding mode controller
DE102019201798A1 (en) Drive system, trajectory planning unit and method
DE102018215089A1 (en) Automated parameterization of a controller
EP0700536A1 (en) Regulating device