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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur automatischen Stabilitätserkennung einer Regler-Kaskade zur Verfügung zu stellen, das möglichst einfach und zuverlässig mögliche Instabilitäten der Regler-Kaskade erkennen kann.
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Das Verfahren dient zur automatischen Stabilitätserkennung einer Regler-Kaskade. Die Regler-Kaskade weist herkömmlich eine Anzahl, beispielsweise zwischen 1 und 6, von kaskadierten Reglern auf. Ein Regelfehler eines jeweiligen Reglers wird durch den jeweiligen Regler gemäß seinem Regelalgorithmus verarbeitet und der verarbeitete Regelfehler wird vom jeweiligen Regler herkömmlich als Regler-Stellgröße ausgeben. Eine Führungsgröße für den in der Regler-Kaskade jeweils nachfolgenden Regler wird in Abhängigkeit von der Regler-Stellgröße des in der Regler-Kaskade jeweils vorangehenden Reglers ermittelt. Ein Regelfehler bezeichnet hierbei die Differenz zwischen Sollwert bzw. Führungsgröße und Istwert der zu regelnden Größe. Im Hinblick auf den grundsätzlichen Aufbau von Regler-Kaskaden sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Das Verfahren weist die Schritte auf:
- a) Ermitteln eines Energiegehalts eines jeweiligen Regelfehlers,
- b) Ermitteln, ob ein Betrag einer jeweiligen Regler-Stellgröße einen zugehörigen Begrenzungswert überschreitet oder nicht, und
- c) Erzeugen eines Stabilitätsmaßes für die Regler-Kaskade in Abhängigkeit von den Energiegehalten der jeweiligen Regelfehler und/oder in Abhängigkeit davon, ob die jeweiligen Regler-Stellgrößen ihre zugehörigen Begrenzungswerte überschreiten oder nicht.
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Das Stabilitätsmaß bildet die Stabilität der einzelnen Regelkreise der Regler-Kaskade bzw. die Stabilität der gesamten Regler-Kaskade ab. Das Stabilitätsmaß kann beispielsweise als Maßzahl mit einem vorgegebenen Wertebereich verkörpert sein. Der Wertebereich kann sich beispielsweise zwischen 0 und 10 erstrecken, wobei 0 einer maximalen Stabilität entspricht und 10 einer maximalen Instabilität entspricht. Das Stabilitätsmaß kann beispielsweise auch als Stabilitäts-Ampel ausgebildet sein, wobei beispielsweise grün einer hohen Stabilität entspricht, gelb einer beginnenden Instabilität entspricht und rot einer Instabilität entspricht, usw.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Energiegehalts des jeweiligen Regelfehlers mittels Energie Operatoren.
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In einer Ausführungsform wird bei einer Zunahme der Energiegehalte der jeweiligen Regelfehler das Stabilitätsmaß derart erzeugt bzw. verändert, dass es eine zunehmende Instabilität der Regler-Kaskade anzeigt.
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In einer Ausführungsform wird für den Fall, dass die Beträge der jeweiligen Regler-Stellgrößen ihre zugehörigen Begrenzungswerte überschreiten, das Stabilitätsmaß derart erzeugt bzw. verändert, dass es eine zunehmende Instabilität der Regler-Kaskade anzeigt.
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In einer Ausführungsform werden die Schritte a) bis c) in einem festen zeitlichen Raster, beispielsweise alle 100 ms, wiederholt.
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In einer Ausführungsform sind die Regler der Regler-Kaskade ausgewählt aus der Menge von Reglern bestehend aus: Lagereglern, Drehzahlreglern und Stromreglern.
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In einer Ausführungsform werden Diagnose- und Handlungsinformationen erzeugt in Abhängigkeit von den Energiegehalten der jeweiligen Regelfehler und in Abhängigkeit davon, ob die Beträge der jeweils mittels der Regler erzeugten Führungsgrößen ihre zugehörigen Begrenzungswerte überschreiten oder nicht.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Erzeugen des Stabilitätsmaßes weiter in Abhängigkeit von vorgebbaren Eigenschaften der Regler-Kaskade.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 exemplarisch eine Regler-Kaskade mit einer Anzahl von kaskadierten Reglern, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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1 zeigt eine Regler-Kaskade 100 mit drei kaskadierten Reglern 1, 2, 3, wobei ein Regelfehler 4, 5 bzw. 6 eines jeweiligen Reglers 1, 2 bzw. 3 durch den jeweiligen Regler 1, 2 bzw. 3 verarbeitet und der verarbeitete Regelfehler 4, 5 bzw. 6 als Regler-Stellgröße 7, 8 bzw. 9 ausgeben wird. Eine Führungsgröße 13 bzw. 14 für den in der Regler-Kaskade 100 jeweils nachfolgenden Regler 2 bzw. 3 wird in Abhängigkeit von der Regler-Stellgröße 7 bzw. 8 ermittelt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Erfindungsgemäß wird ein Energiegehalt eines jeweiligen Regelfehlers berechnet.
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Begrenzer 15, 16 und 17 ermitteln, ob ein Betrag einer jeweiligen Regler-Stellgröße 7, 8 bzw. 9 einen zugehörigen Begrenzungswert überschreitet oder nicht, und begrenzen gegebenenfalls die Regler-Stellgröße 7, 8, 9 auf den zugehörigen Begrenzungswert.
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Schließlich wird ein Stabilitätsmaß 10 für die Regler-Kaskade 100 ermittelt in Abhängigkeit von den Energiegehalten der jeweiligen Regelfehler 4, 5, 6 und in Abhängigkeit davon, ob die jeweiligen Regler-Stellgrößen 7, 8, 9 ihre zugehörigen Begrenzungswerte überschreiten oder nicht. Das Stabilitätsmaß wird vorliegend exemplarisch durch eine Ampel symbolisiert, wobei eine grüne Ampel eine hohe Stabilität symbolisiert, eine gelbe Ampel eine beginnende Instabilität symbolisiert und eine rote Ampel Instabilität symbolisiert.
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Das Ermitteln des Energiegehalts des jeweiligen Regelfehlers 4, 5, 6 erfolgt mittels Energie Operatoren.
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1 zeigt eine typische Regelkreiskaskade mit Regelkreisen bzw. Reglern mit einem Stromregler 3, einem Drehzahlregler 2 und einem Positionsregler 1. Die angetriebene Last ist hier exemplarisch als ein einfaches Ein-Massen-System mit elektrischer Strecke 18 und mechanischer Strecke 19 dargestellt. Das Element 21 ist ein herkömmliches Differenzier-Glied.
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Jeder Regler 1, 2, 3 muss auf seine Regelstrecke angepasst werden, um ein gewünschtes Verhalten zu erzielen. So muss beispielsweise der Stromregler 3 an eine Induktivität und einen Widerstand eines Motors angepasst werden, wobei beispielsweise eine Totzeit, eine nicht beeinflussbare Größe einer Leistungsendstufe und eine Messwerterfassung in die Berechnung mit eingehen.
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Der Drehzahlregler 2 wiederum muss an eine Mechanik angepasst werden, wobei deren Eigenschaften massiv auf den Wertebereich der Drehzahlregler-Einstellung Einfluss nimmt. Für Ein-Massen-Systeme gibt es noch einen einfachen Zusammenhang zwischen Trägheitsmoment J und Vpn, aber sobald Elastizitäten oder Lose ins Spiel kommen, werden die Zusammenhänge nichtlinear und schwer vorhersagbar.
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Der Lageregler 1 wiederum sieht als seine Strecke den unterlagerten Drehzahlregelkreis, womit sich dessen Eigenschaften mindestens ebenso massiv auf die Einstellung des Lagereglers Vp auswirken.
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Üblicherweise wird während einer Inbetriebnahme eine initiale Einstellung der Regler 1, 2, 3 vorgenommen und dann nicht weiter angepasst. Die initiale Einstellung erfolgt nach Kriterien, wie beispielsweise Reaktionszeit auf Sollwertänderungen, der Fähigkeit Störungen auszuregeln oder nach dem Aspekt, wie genau der Regler dem Sollwert folgt.
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Das Finden der optimalen Einstellung kann bei komplexen Mechaniken komplex sein. Besonders elastische Elemente, wie Zahnriemen, lange Zahnstangen, etc., lassen oft nur einen sehr geringen Spielraum in der Findung eines geeigneten Parametersatzes. Das gilt auch dann noch, wenn beispielsweise spezielle Filter zur Bekämpfung der problematischen Eigenfrequenzen der Mechanik zum Einsatz kommen, wie Kerbfilter o. ä. Oft muss dann ein Kompromiss in der Reglereinstellung eingegangen werden, bei dem das ursprüngliche Optimierungsziel in den Hintergrund tritt und der Aspekt einer stabilen und robusten Reglereinstellung dominierend wird. In der Regel nähert man sich dann recht dicht den Grenzen des stabilen Verhaltens, um wenigstens teilweise seine eigenen Optimierungsziele zu erreichen.
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Hat man diesen Kompromiss gefunden, besteht nach wie vor eine Wechselwirkung zwischen mechanischen Eigenschaften und den sich damit ergebenden Einstellungsgrenzen. Ändern sich dann diese mechanischen Eigenschaften durch Alterung oder Verschleiß mit der Zeit, kann es häufig vorkommen, dass mit der gewählten Reglereinstellung die Grenze zum instabilen Verhalten hin überschritten wird.
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Wird die Regler-Kaskade dann insgesamt instabil, können durchaus Schädigungen an der Mechanik verursacht werden, wenn dies nicht umgehend unterbunden wird. Da sich die Maschine dann meist im Feld unter Produktionsbedingungen befindet, ist nicht unbedingt ein Fachmann vor Ort, der das fehlerhafte Verhalten erkennen oder korrigieren kann.
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Hier setzt die Erfindung an.
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Eine wichtige Größe in der Regelung ist der sogenannte Regelfehler, d.h. der Wert hinter dem Subtraktionspunkt von Soll-Wert und Ist-Wert. Der Regelfehler durchläuft den jeweiligen Regler und wird dort verstärkt an den nächsten Regler als dessen Sollwert bzw. Führungsgröße weitergegeben. An dieser Übergabestelle ist üblicherweise ein (Sollwert-) Begrenzung angeordnet, der Sorge trägt, dass ein zulässiger Sollwert, beispielsweise ein maximal zulässiger Strom, eine maximal zulässige Drehzahl, etc. nicht überschritten wird.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass instabile Regelkreise anhand von exzessiven Signaländerungen erkannt werden können, die sich in den Regelfehlern 4, 5 und 6 der jeweiligen Regelkreise manifestieren.
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Zur Unterscheidung, ob es sich um einen normalen Regelvorgang oder um eine instabile Situation handelt, kann der Energiegehalt des jeweiligen Regelfehlers 4, 5 und 6 herangezogen werden. Sogenannte Teager Energie Operatoren EO, wie beispielsweise nach Kaiser, die aus dem Bereich der Spracherkennung bekannt sind, können zur Beobachtung verwendet werden.
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Da Energie Operatoren EO meist bei konstanten oder begrenzten Signalen ungenau oder gar unbrauchbar werden, wird erfindungsgemäß überprüft, ob die Begrenzer 15, 16 und/oder 17 aktiv werden. Dazu werden sogenannte Begrenzungsdetektoren bzw. Limit Detektors LD als zusätzliche Informationsquellen eingesetzt. Mittels der LDs wird ermittelt, ob ein Betrag einer jeweiligen Regler-Stellgröße 7, 8, 9 einen zugehörigen Begrenzungswert überschreitet oder nicht. Mit anderen Worten ermitteln die LDs, ob die Begrenzer 15, 16 und/oder 17 aktiv werden.
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Die EOs lassen sich gezielt für definierte Frequenzbereiche sensibel machen. Damit lassen sie sich sehr genau auf die Eigenschaften der Kombination Maschine und Regelung abstimmen.
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Nach einer Inbetriebnahme der Regelung lassen sich Grenzwerte der EOs für den Gut-Fall und den Schlecht-Fall bestimmen und festlegen. Außerdem können hier Resonanzfrequenzen ermittelt werden, auf die die EOs abgestimmt werden. Mit diesen Informationen wird eine Überwachungslogik 20 versorgt. Weiter wird die Überwachungslogik 20 mit rudimentären Informationen 12 über den mechanischen Aufbau der zugrunde liegenden Anlage versorgt.
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Im Betrieb wird nun die Überwachungslogik 20 aktiv, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben den Werten der EOs auch das Anschlagen der Begrenzer 15, 16 und 17 mittels der LDs erfasst.
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Regelungen sind häufig zeitdiskret umgesetzt, d.h. auf einem Rechner werden in einem festgelegten Zeitraster und in einer festgelegten Reihenfolge die Aufgaben der Regelung ausgeführt. An dieses Zeitraster wird auch die Überwachungslogik 20 gekoppelt, die damit jedes Stellereignis und Störereignis erfasst.
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Durch die Gleichzeitigkeit der Erfassung aller EOs und LDs kann erkannt werden, in welcher Regelschleife eine Oszillation zuerst auftritt. Darüber hinaus kann über den Energiegehalt auch festgestellt werden, ob sich eine Instabilität abzeichnet oder ob sie schon im vollen Umfang aktiv ist. Dies kann verwendet werden, um über das Ampelsystem 10 eine Meldung über den Zustand der Regelkreise auszugeben.
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Da auch der Entstehungsort der Instabilität erkannt werden kann, können auch zielgerichtete Maßnahmen empfohlen werden. Wird beispielsweise der Stromregelkreis instabil, dann muss sich etwas an den elektrischen Eigenschaften des Motors oder des Umrichters geändert haben, was beispielsweise durch Messung von Strömen noch genauer ermittelt werden kann, wobei Ströme und Spannungen in einer Regelung typisch bekannt sind. Hier würde dann entweder ein Neu-Einmessen des Stromregelkreises oder eine Überprüfung des Stellgliedes (Umrichter) empfohlen werden.
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Wird der Drehzahlregelkreis instabil, sind meist die Verbindungselemente die Ursache. Ist der mechanische Aufbau bekannt, beispielsweise aufgrund einer Anwender-Abfrage bei der Inbetriebnahme, kann anhand der Kombinatorik aus EO-Werten und LD-Ereignissen beispielswiese zwischen einer veränderten Riemenspannung und einer geänderten Lose unterschieden werden, woraus eine entsprechende Handlungsempfehlung abgeleitet werden kann.
