DE102022209555A1 - Method and control unit for controlling a mechatronic system - Google Patents

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DE102022209555A1
DE102022209555A1 DE102022209555.3A DE102022209555A DE102022209555A1 DE 102022209555 A1 DE102022209555 A1 DE 102022209555A1 DE 102022209555 A DE102022209555 A DE 102022209555A DE 102022209555 A1 DE102022209555 A1 DE 102022209555A1
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz betrifft ein Verfahren zur Regelung eines mechatronischen Systems (100), wobei das Verfahren (400) einen Schritt des Einlesens (410) von Sollwerten (c(x)) für physikalischen Größen des mechatronischen Systems (100) aufweist, wobei die Sollwerte (c(x)) im Zeitablauf geändert wurden und, ansprechend auf das Einlesen, Bestimmen oder Einlesen von aktuellen Werten (x) der physikalischen Größen des mechatronischen Systems (100). Ferner weist das Verfahren (400) einen Schritt des Integrierens (420) eines von den Sollwerten (c(x)) und den aktuellen Werten (x) abhängigen Optimierungsfunktionals (140, J) über die Zeit auf, um Regelungswerte (x*) für die physikalischen Größen zu erhalten. Schließlich umfasst das Verfahren (400) einen Schritt des Ausgebens (430) eines Regelungssignals (150) zum Regeln des mechatronischen Systems (100) unter Verwendung der ermittelten Regelungswerte (x*) für die physikalischen Größen.

Figure DE102022209555A1_0000
The approach presented here relates to a method for controlling a mechatronic system (100), the method (400) having a step of reading in (410) of setpoint values (c(x)) for physical variables of the mechatronic system (100), the Setpoint values (c(x)) have been changed over time and, in response to the reading, determining or reading in current values (x) of the physical variables of the mechatronic system (100). Furthermore, the method (400) has a step of integrating (420) an optimization functional (140, J) which is dependent on the setpoint values (c(x)) and the current values (x) over time in order to obtain control values (x*) for to obtain the physical quantities. Finally, the method (400) includes a step of outputting (430) a control signal (150) for controlling the mechatronic system (100) using the determined control values (x*) for the physical variables.
Figure DE102022209555A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Reglereinheit zur Regelung eines mechatronischen Systems gemäß den Hauptansprüchen.The present invention relates to a method and a control unit for controlling a mechatronic system according to the main claims.

Es können zur optimalen Steuerung dynamischer Systeme unterschiedliche Ansätze verwendet werden, wie beispielsweise:

  • (i) die Bestimmung von Look-up-Tabellen entweder durch Offline-Berechnungen oder durch Messungen in der realen Welt oder
  • (ii) es kann ein nichtlineares Programmierproblem mit Gleichheitsbeschränkungen formuliert werden als:
min  J ( x )
Figure DE102022209555A1_0001
s .t c 1 ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0002
c 2 ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0003
c m ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0004
x X 2 ,
Figure DE102022209555A1_0005
mit m ≤ n und stetigen Funktionen J, hi, i = 1, 2, ... , m. Die notwendigen Bedingungen erster Ordnung für die Optimalität lassen sich wie folgt zusammenfassen:Different approaches can be used to optimally control dynamic systems, such as:
  • (i) the determination of look-up tables either by offline calculations or by measurements in the real world or
  • (ii) a nonlinear programming problem with equality constraints can be formulated as:
min J ( x )
Figure DE102022209555A1_0001
s .t . c 1 ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0002
c 2 ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0003
c m ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0004
x X 2 ,
Figure DE102022209555A1_0005
with m ≤ n and continuous functions J, h i , i = 1, 2, ... , m. The necessary first-order conditions for optimality can be summarized as follows:

Es sei x* ein lokaler Extrempunkt von J unter der Bedingung c(x) = (c1; c2, ... , cm) = 0, und angenommen, dass c(x*) = 0 ist, dann gilt für alle (machbaren Variationen) d ∈ Rn, das die folgenden Gleichungen erfüllt: c ( x * ) d = 0

Figure DE102022209555A1_0006
und auch J ( x * ) d = 0.
Figure DE102022209555A1_0007
Let x* be a local extreme point of J under the condition c(x) = (c 1 ; c 2 , ... , c m ) = 0, and assume that c(x*) = 0, then for all (feasible variations) d ∈ R n that satisfies the following equations: c ( x * ) d = 0
Figure DE102022209555A1_0006
and also J ( x * ) d = 0.
Figure DE102022209555A1_0007

Anstelle der letztgenannten Bedingungen aufgrund der orthogonalen inneren Produkte, wird ∇(x*) üblicherweise als Linearkombination der Zeilen von ∇cT(x) als J ( x * ) + λ T c ( x * ) = 0,

Figure DE102022209555A1_0008
mit λ ∈ Rm. Es gibt viele Methoden zur Berechnung des optimalen Punktes x* zu berechnen, entweder mit Hilfe der Methode der Lagrange-Multiplikatoren für (4) oder Wurzelfindungsmethoden für (3), wie z. B. die Newton-Iteration.Instead of the latter conditions due to the orthogonal inner products, ∇(x*) is usually considered as a linear combination of the rows of ∇c T (x). J ( x * ) + λ T c ( x * ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0008
with λ ∈ R m . There are many methods to calculate the optimal point x*, either using the method of Lagrange multipliers for (4) or root finding methods for (3), such as B. the Newton iteration.

Die Methoden in (i) haben den Nachteil, dass der gesamte Betriebsbereich nicht nutzbar ist, großer Messaufwand entsteht, Algorithmen oft großen EC-Speicher benötigen oder eine Kalibrierung und Anpassung aufgrund von Verschleiß, Alterung der Parameter teuer ist. Die genannten Methoden in (ii) leiden oft unter schlechter Interpretierbarkeit der Konvergenzeigenschaften, Stabilitätsgarantien und der physikalischen Interpretierbarkeit, wenn die optimierten Variablen zu einem dynamischen System der realen Welt gehören.The methods in (i) have the disadvantage that the entire operating range cannot be used, a large measurement effort is required, algorithms often require large EC memory or calibration and adjustment is expensive due to wear and aging of the parameters. The mentioned methods in (ii) often suffer from poor interpretability of convergence properties, stability guarantees and physical interpretability when the optimized variables belong to a dynamic real-world system.

Es lassen sich daher einige Nachteile des Standes der Technik wie folgt zusammenfassen:

  • - schlechte Interpretierbarkeit der Konvergenzeigenschaften
  • - fehlende Stabilitätsgarantien
  • - fehlende physikalische Interpretierbarkeit
  • - vollständiger Anwendungsbereich nicht nutzbar
  • - großer Messaufwand
  • - Algorithmen erfordern oft großen ECU-Speicher
  • - Kalibrierung und Anpassung aufgrund von Verschleiß, Alterung der Parameter teuer
Some disadvantages of the prior art can therefore be summarized as follows:
  • - poor interpretability of the convergence properties
  • - lack of stability guarantees
  • - lack of physical interpretability
  • - Complete scope of application not usable
  • - large measurement effort
  • - Algorithms often require large ECU memory
  • - Calibration and adjustment expensive due to wear and aging of parameters

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Steuergerät zur Regelung eines mechatronischen Systems gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention creates an improved method and an improved control device for regulating a mechatronic system according to the main claims. Advantageous refinements result from the subclaims and the following description.

Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Verfahren zur Regelung eines mechatronischen Systems vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

  • - Einlesen von Sollwerten für physikalischen Größen des mechatronischen Systems, wobei sich die Sollwerte im Zeitablauf geändert hatten und, ansprechend auf das Einlesen, Bestimmen oder Einlesen von aktuellen Werten der physikalischen Größen des mechatronischen Systems;
  • - Integrieren eines von den Sollwerten und den aktuellen Werten abhängigen Optimierungsfunktionals über die Zeit, um Regelungswerte für die physikalischen Größen zu erhalten; und
  • - Ausgeben eines Regelungssignals zum Regeln des mechatronischen Systems unter Verwendung der ermittelten Regelungswerte für die physikalischen Größen.
According to the approach presented here, a method for controlling a mechatronic system is proposed, the method having the following steps:
  • - reading in target values for physical variables of the mechatronic system, the target values having changed over time and, in response to the reading in, determining or reading in current values of the physical variables of the mechatronic system;
  • - Integrating an optimization functional over time that is dependent on the setpoint values and the current values in order to obtain control values for the physical variables; and
  • - Outputting a control signal for controlling the mechatronic system using the determined control values for the physical variables.

Unter einem mechatronischen System kann vorliegend ein technisches System verstanden werden, in welcher elektrische Größen und/oder mechanische Größen ineinander überführt werden, um beispielsweise einen Aktor anzusteuern. Beispielsweise kann ein solches mechatronisches System ein Antriebsmodul für ein Fahrzeug oder allgemeine eine Maschine sein, ein Fahrzeug, ein Brems- und/oder Lenksystem oder auch ein Leistungswandlungsmodul sein, je nachdem welche physikalischen Größen verarbeitet werden sollen. Diese physikalischen Größen können ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielsweise ein Strom, eine Spannung, ein Druck, ein Moment, eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung darstellen. Unter einem Optimierungsfunktional kann vorliegend ein Formel-mäßiger Zusammenhang verstanden werden, in welchem Eingangsgrößen, Sollwerte, Führungsgrößen, geführte Größen und/oder Randwertbedingungen der physikalischen Größen des mechatronischen Systems miteinander verknüpft sind. Dabei werden die aktuellen Werte der physikalischen Größen, die auch als Eingangsgrößen bezeichnet werden können, speziell dann eingelesen, wenn sich die Sollwerte für diese physikalischen Größen geändert hatten. Auf diese Weise kann die Optimierung der Regelung speziell dann erfolgen, wenn im mechatronischen System eine Änderung des Betriebszustands stattgefunden hatte, also wenn beispielsweise eine Änderung der Leistungsabgabe des mechatronischen Systems (von extern) angesteuert wurde und nun die entsprechenden (aktuellen) physikalischen Größen an diese angeforderte oder gewünschte geänderte Leistungsabgabe angepasst werden sollen. Um nun eine effiziente Optimierung der Werte der einzelnen physikalischen Größen vornehmen zu können, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz gerade dieses Optimierungsfunktional über die Zeit integriert und nicht, wie im Stand der Technik, über Nachschlagetabellen oder aufwendige Differenzierungen gelöst. Hierdurch kann einerseits eine schnelle Bestimmung der optimalen Regelungswerte ermöglicht werden, die den (nach der Regelung) neuen Werten für die physikalischen Größen entsprechen, als auch sichergestellt werden, dass die nun erhaltenen neuen Werte für die physikalischen Größen auch schnell einschwingen und somit strengen Stabilitätskriterien genügen.In the present case, a mechatronic system can be understood as a technical system in which electrical variables and/or mechanical variables are converted into one another in order, for example, to control an actuator. For example, such a mechatronic system can be a drive module for a vehicle or generally a machine, a vehicle, a braking and/or steering system or even a power conversion module, depending on which physical variables are to be processed. Without limiting generality, these physical quantities can represent, for example, a current, a voltage, a pressure, a moment, a speed and/or an acceleration. In the present case, an optimization functional can be understood as a formula-like relationship in which input variables, setpoints, reference variables, controlled variables and/or boundary value conditions of the physical variables of the mechatronic system are linked to one another. The current values of the physical variables, which can also be referred to as input variables, are read in specifically when the setpoints for these physical variables have changed. In this way, the control can be optimized specifically if a change in the operating state has taken place in the mechatronic system, i.e. if, for example, a change in the power output of the mechatronic system was controlled (externally) and now the corresponding (current) physical variables are sent to this requested or desired changed power output should be adjusted. In order to be able to carry out an efficient optimization of the values of the individual physical quantities, according to the approach presented here, this optimization functional is integrated over time and not, as in the prior art, solved via lookup tables or complex differentiations. On the one hand, this makes it possible to quickly determine the optimal control values that correspond to the new values for the physical variables (after the control), and it can also be ensured that the new values for the physical variables now obtained also settle quickly and thus meet strict stability criteria .

Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Integrierens das Optimierungsfunktional verwendet wird, das eine zu minimierende Kostenfunkton repräsentiert, insbesondere wobei das Optimierungsfunktional eine skalare Größe abbildet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die günstige Wahl des Optimierungsfunktionals bereits ein gewünschtes Zielkriterium wie beispielsweise eine Minimierung einer für den Betrieb des mechatronischen Systems erforderlichen Energie direkt durch die Auslegung bzw. Wahl des Optimierungsfunktionals berücksichtigen oder abbilden zu können.An embodiment of the approach proposed here is particularly favorable in which the optimization functional is used in the integrating step, which represents a cost function to be minimized, in particular where the optimization functional represents a scalar quantity. Such an embodiment offers the advantage of being able to take into account or map a desired target criterion, such as minimizing the energy required for the operation of the mechatronic system, directly through the design or choice of the optimization functional due to the favorable choice of the optimization functional.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Integrierens ein Optimierungsfunktional auf der Basis eines Gütefunktionals verwendet werden, das eine Randbedingung für die die physikalischen Größen des mechatronischen Systems abbildet, insbesondere wobei das Gütefunktional für die aktuellen physikalischen Größen und/oder für die Regelungswerte einen Wert von Null ergibt und/oder wobei das Gütefunktionals ein nicht-lineares Funktional ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, durch die Implementierung der Randbedingungen für die physikalischen Größen in das Gütefunktional eine numerisch sehr effiziente Möglichkeit zu eröffnen, die gewünschten oder erforderlichen Randbedingungen für die Regelung des mechatronischen Systems direkt im Optimierungsfunktional berücksichtigen zu können.According to a further embodiment, an optimization functional based on a quality functional can be used in the integrating step, which represents a boundary condition for which the physical variables of the mechatronic system, in particular wherein the quality functional for the current physical variables and/or for the control values has a value of results in zero and/or where the quality functional is a non-linear functional. Such an embodiment offers the advantage of opening up, by implementing the boundary conditions for the physical variables in the quality functional, a numerically very efficient possibility of being able to take the desired or required boundary conditions for the control of the mechatronic system into account directly in the optimization functional.

Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Schritt des Integrierens unter Verwendung einer Lie-Ableitung des Gütefunktionals ausgeführt werden. Durch die Verwendung der Lie-Ableitung lässt sich eine mathematisch sehr kompakte und numerische effiziente Verarbeitung des Gütefunktional bzw. des hier ausgebildete Optimierungsfunktional erreichen.Also, according to a further embodiment, the step of integrating can be carried out using a Lie derivative of the quality functional. By using the Lie derivative, a mathematically very compact and numerically efficient processing of the quality functional or the optimization functional formed here can be achieved.

Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der weiterhin der Schritt des Integrierens unter Verwendung einer Lyapunov-Funktion des Gütefunktionals nach der Zeit ausgeführt wird, insbesondere wobei eine Ableitung der Lyapunov-Funktion des Gütefunktionals verwendet wird. Auch durch eine solche Verwendung der Lyapunov-Funktion des Gütefunktionals lässt sich eine mathematisch sehr kompakte und numerische effiziente Verarbeitung des Gütefunktional bzw. des hier ausgebildete Optimierungsfunktional erreichen.An embodiment of the approach proposed here is also conceivable, in which the step of integrating is carried out using a Lyapunov function of the quality functional after time, in particular where a derivative of the Lyapunov function of the quality functional is used. By using the Lyapunov function of the quality functional in this way, a mathematically very compact and numerically efficient processing of the quality functional or the optimization functional formed here can be achieved.

Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Integrierens über ein bis ins Unendliche reichendes Zeitintervall integriert wird. Eine solche Ausführungsform bietet durch die Berücksichtigung aller zukünftigen Zeitpunkte bei der Integration einen möglichst kleinen Restfehler bei vertretbarem numerischem Aufwand zu erhalten, sodass die erhaltenen Regelungswerte zuverlässig und stabil einschwingen können.An embodiment of the approach proposed here is particularly favorable, in which the integrating step involves integrating over a time interval that extends to infinity. By taking all future times into account during integration, such an embodiment offers the smallest possible residual error with reasonable numerical effort, so that the control values obtained can settle reliably and stably.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann der Schritt des Integrierens ferner unter Verwendung von Regelungswerten ausgeführt wird, die in einem vorangegangenen Schritt des Integrierens erhalten wurden. Eine derartige Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil einer Implementierung einer zuverlässig arbeitenden und schnell konvertieren den Regelschleife.According to a further embodiment of the approach proposed here, the integrating step may be further carried out using control values obtained in a previous integrating step. Such an embodiment of the approach proposed here offers the advantage of implementing a reliably operating and quickly converting control loop.

Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Einlesens als physikalischen Größen zumindest ein Wert eingelesen wird, der eine Spannung, einen Strom, einen Druck, eine Kraft und/oder ein Moment repräsentiert. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, zentrale Werte von physikalischen Größen eines mechatronischen Systems mit dem hier vorgestellten Ansatz be- und/oder verarbeiten zu können und somit eine schnelle und präzise Regelung des mechatronischen Systems, ansprechend auf eine angeregte Änderung des Betriebszustand des Systems, zu ermöglichen.An embodiment of the approach proposed here is particularly favorable in which, in the step of reading in, at least one value is read as the physical quantity, which represents a voltage, a current, a pressure, a force and/or a moment. Such an embodiment offers the advantage of being able to edit and/or process central values of physical variables of a mechatronic system with the approach presented here and thus enable rapid and precise control of the mechatronic system in response to a stimulated change in the operating state of the system make possible.

Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Ausgebens das Regelungssignal zur Ansteuerung eines Antriebssystems, Bremssystems, Fahrzeugs, Steuersystems und/oder Energiewandlungssystems ausgegeben wird. Speziell die vorstehend genannten Beispiele für mechatronische Systeme lassen sich mit dem hier vorgestellten Ansatz schnell und effizient regeln.An embodiment of the approach proposed here is also advantageous in which, in the output step, the control signal for controlling a drive system, braking system, vehicle, control system and/or energy conversion system is output. In particular, the examples of mechatronic systems mentioned above can be controlled quickly and efficiently using the approach presented here.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Reglereinheit, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergerätes kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a control unit that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment variant of the invention in the form of a control device can also solve the problem on which the invention is based quickly and efficiently.

Eine Reglereinheit kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Reglereinheit kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.A controller unit can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals depending on them. The controller unit can have one or more suitable interfaces, which can be designed in hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented. The interfaces can also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Reglereinheit ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product with program code, which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer or a control unit is performed.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mechatronischen Systems;
  • 2 eine Blockbild-Darstellung eines Rückkopplungssystems, wie es in der Integrationseinheit mit dem Optimierungsfunktional;
  • 3 eine beispielhafte Darstellung der Funktionsweise des vorstehend genannten Optimierungsfunktionals als eine Tangentialebene an den dreidimensionalen Raum der speziellen Randbedingungswerte;
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zur Regelung eines mechatronischen Systems; und
  • 5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Implementierungsstruktur der Reglereinheit.
The invention is explained in more detail using the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a a schematic representation of an exemplary embodiment of a mechatronic system;
  • 2 a block diagram representation of a feedback system as it is in the integration unit with the optimization functional;
  • 3 an exemplary representation of the operation of the aforementioned optimization functional as a tangential plane to the three-dimensional space of the special boundary condition values;
  • 4 a flowchart of an exemplary embodiment of the approach presented here as a method for controlling a mechatronic system; and
  • 5 a block diagram of an exemplary embodiment of an implementation structure of the controller unit.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numbers are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, with a repeated description of these elements being omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mechatronischen Systems 100, welches hier in der Form eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, ausgestaltet ist. In diesem Fahrzeug als mechatronischem System 100 ist beispielsweise ein Gaspedal beziehungsweise allgemeiner ein Pedal 105 zur Einstellung oder Änderung der Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit des Fahrzeugs als mechatronischem System 100 vorgesehen. Wird nun beispielsweise das Pedal 105 betätigt, wird ein entsprechendes Änderungssignal 110 über eine Einleseschnittstelle 115 einer Reglereinheit 120 eingelesen, die beispielsweise eine Änderung von Sollwerten von physikalischen Größen des Fahrzeugs als mechatronischem System 100 darstellt. Beispielsweise kann durch die Stellung des Pedal 105 eine Ansteuerung eines entsprechenden Stroms und/oder einer entsprechenden Spannung erfolgen, die durch die Reglereinheit 120 an einen Elektromotor 125 ausgegeben wird, sodass dieser Elektromotor 125 Räder 130 des Fahrzeugs als mechatronischem System 100 mit einem geänderten Moment oder einer geänderten Drehzahl antreiben kann. Weiterhin werden über die Einleseschnittstelle 115 noch Werte x von aktuellen physikalischen Größen eingelesen, die beispielsweise aktuelle Zustandsgrößen des mechatronischen Systems 100, beispielsweise Zustandsgrößen wie ein aktuell fließender Strom durch den Elektromotor 125 oder eine am Elektromotor 125 anliegende elektrische Spannung abbilden. Die über die Einleseschnittstelle 115 eingelesenen Werte x werden nachfolgend einer Integrationseinheit 135 zugeführt, in welcher ein von diesen Größen abhängiges und nachfolgend näher beschriebenes Optimierungsfunktional 140 über die Zeit integriert wird. Hierbei können Regelungswerte x* erhalten werden, welche in einer Ausgabeeinheit 145 zu einem Regelungssignal 150 verarbeitet werden, mit welchem dann beispielsweise ein Aktor wie der Elektromotor 125 angesteuert werden kann. Die Regelungswerte x* können dabei gewünschte Werte der physikalischen Größen darstellen, mit denen beispielsweise der Aktor, hier beispielsweise der Elektromotor 130 betrieben wird. Allgemein gesprochen, kann somit durch eine Betätigung des Pedals 105 eine Änderung der Betriebsgrößen zum Betrieb des Elektromotors 125 erreicht werden, sodass durch die Betätigung des Pedals 105 der Elektromotor 125 mit einem größeren oder kleineren Strom oder einer größeren oder kleineren Spannung beaufschlagt wird, sodass das Fahrzeug als mechatronisches System 100 beschleunigt oder abbremst. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der neue, gewünschte Betriebszustand des Fahrzeugs als mechatronisches System 100 einerseits schnell und stabil einschwingen soll, andererseits jedoch auch nicht unnötigerweise Energie erfordern soll, sodass beispielsweise ein Energiespeicher zur Bereitstellung der für den Betrieb des Aktors bzw. Elektromotors 125 möglichst lange betriebsbereit ist. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a mechatronic system 100, which is designed here in the form of a vehicle, for example an electric vehicle. In this vehicle as a mechatronic system 100, for example, an accelerator pedal or, more generally, a pedal 105 is provided for adjusting or changing the acceleration or speed of the vehicle as a mechatronic system 100. If, for example, the pedal 105 is now actuated, a corresponding change signal 110 is read in via a read-in interface 115 of a control unit 120, which represents, for example, a change in setpoint values of physical variables of the vehicle as a mechatronic system 100. For example, the position of the pedal 105 can control a corresponding current and/or a corresponding voltage, which is output by the controller unit 120 to an electric motor 125, so that this electric motor 125 wheels 130 of the vehicle as a mechatronic system 100 with a changed torque or can drive at a changed speed. Furthermore, values The values Here, control values x* can be obtained, which are processed in an output unit 145 to form a control signal 150, with which, for example, an actuator such as the electric motor 125 can then be controlled. The control values x* can represent desired values of the physical variables with which, for example, the actuator, here for example the electric motor 130, is operated. Generally speaking, by actuating the pedal 105, a change in the operating variables for operating the electric motor 125 can be achieved, so that by actuating the pedal 105 the electric motor 125 is subjected to a larger or smaller current or a larger or smaller voltage, so that Vehicle accelerates or brakes as a mechatronic system 100. However, it should be noted that the new, desired operating state of the vehicle as a mechatronic system 100 should, on the one hand, settle quickly and stably, but on the other hand should not require energy unnecessarily, so that, for example, an energy storage device is required to provide the energy required for the operation of the actuator or electric motor 125 is operational for as long as possible.

Zentrales Augenmerk für eine solche Funktionalität des stabilen Einschwingens bzw. der effizienten Berechnung der Regelwerte x* bzw. des hieraus ermittelten Regelungssignals 150 bildet dabei die Ausgestaltung der Integrationseinheit 135 mit dem Optimierungsfunktional 140, welches nachfolgend auch der Einfachheit halber mit der Variablen J bezeichnet wird. Zum grundlegenden Verständnis des hier behandelten Problems wird zunächst eine Definition der in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Notationen gegeben. Hierbei bezeichnet insbesondere die Variable

  • - x = (x1, x2, ..., xn)T einen Zustand eines dynamischen Systems. Jede Komponente x1, x2, ..., xn des Zustands x entspricht einer physikalischen Größe. Zum Beispiel, kann dies ein Strom, eine Spannung, eine Geschwindigkeit, eine Position, ein Druck usw. sein, d. h. der Zustand kann sich aus elektrischen und mechanischen Größen zusammensetzen.
  • - u = (u1, u2, ... , um)T einen Eingang oder Steuereingang eines dynamischen Systems.
  • - c(x) = (c1(x), c2(x), ..., cm(x))T einen Vektor mit Gleichheitsbeschränkungen für den Zustand x. Die Lösungen eines dynamischen Systems sollen die Nebenbedingung erfüllen. (Häufig ist eine solche Nebenbedingung eine Kraftgleichung, die von von physikalischen Größen wie Strom oder Druck abhängt, wobei die gewünschte Kraft gegeben ist.)
  • - c* = c(x) einen gewünschten Wert für die Gleichheitsbedingung.
  • - J(x) die Ziel- oder Leistungsfunktion bzw. das hier als solches bezeichnete Optimierungsfunktional, welches beispielsweise eine skalare Gleichung abbildet, die vom Zustand x abhängt. J(x) kann z. B. verwendet werden, um den Energieverlust zu beschreiben, der minimiert werden soll.
  • - L f h
    Figure DE102022209555A1_0009
    eine Lie-Ableitung der Form L f h : = h x f .
    Figure DE102022209555A1_0010
The central focus for such a functionality of stable settling or efficient calculation of the control values x* or the control signal 150 determined therefrom is the design of the integration unit 135 with the optimization functional 140, which is also referred to below as the variable J for the sake of simplicity. In order to provide a basic understanding of the problem discussed here, a definition of the notations used in the following description is first given. This refers in particular to the variable
  • - x = (x 1 , x 2 , ..., x n ) T a state of a dynamic system. Each component x 1 , x 2 , ..., x n of the state x corresponds to a physical quantity. For example, this can be a current, a voltage, a speed, a position, a pressure, etc., ie the state can be made up of electrical and mechanical quantities.
  • - u = (u 1 , u 2 , ... , u m ) T an input or control input of a dynamic system.
  • - c(x) = (c 1 (x), c 2 (x), ..., c m (x)) T a vector with equality constraints for the state x. The solutions of a dynamic system should fulfill the secondary condition. (This is often the case Secondary condition is a force equation that depends on physical quantities such as current or pressure, where the desired force is given.)
  • - c* = c(x) a desired value for the equality condition.
  • - J(x) is the target or performance function or the optimization functional referred to here as such, which, for example, represents a scalar equation that depends on the state x. J(x) can e.g. B. can be used to describe the energy loss that should be minimized.
  • - L f H
    Figure DE102022209555A1_0009
    a Lie derivation of the form L f H : = H x f .
    Figure DE102022209555A1_0010

Für die detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels kann der Fall betrachtet werden, dass der Vektor x im nicht-linearen Programmierproblem gemäß Gleichung (1) auf den Zustand eines dynamischen Systems verweist x ˙ = F ( x , u ) ,   x ( t 0 ) = x 0 .

Figure DE102022209555A1_0011
For the detailed description of an exemplary embodiment, the case can be considered that the vector x in the non-linear programming problem according to equation (1) refers to the state of a dynamic system x ˙ = F ( x , u ) , x ( t 0 ) = x 0 .
Figure DE102022209555A1_0011

In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, die Kenntnis des dynamischen Systems zu nutzen, um das Problem der nichtlinearen Programmierung zu lösen. Zu diesem Zweck wird unter Berücksichtigung der Optimalitätsbedingung gemäß Gleichung (3), h(x) := ∇J(x*)d, die hier als Gütenfunktional bezeichnet wird, zusammen mit einer Rückkopplung u = ϕ(x; h(x)) in Gleichung (5), wird ein Rückkopplungssystem konstruiert,In this context, it is proposed to use the knowledge of the dynamic system to solve the problem of nonlinear programming. For this purpose, taking into account the optimality condition according to equation (3), h(x) := ∇J(x*)d, which is referred to here as the quality functional, together with a feedback u = ϕ(x; h(x)) in equation (5), a feedback system is constructed,

2 zeigt eine Blockschaltbild-Darstellung eines Rückkopplungssystems, wie es in der Integrationseinheit 135 mit dem Optimierungsfunktional 140 x ˙ = F ˜ ( x ) ,   x ( t 0 ) = x 0 .

Figure DE102022209555A1_0012
implementiert ist. 2 shows a block diagram representation of a feedback system, as in the integration unit 135 with the optimization functional 140 x ˙ = F ˜ ( x ) , x ( t 0 ) = x 0 .
Figure DE102022209555A1_0012
is implemented.

3 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Funktionsweise des vorstehend genannten Optimierungsfunktionals 140 als eine Tangentialebene 300 an den dreidimensionalen Raum der speziellen Randbedingungswerte. 3 shows an exemplary representation of the functionality of the aforementioned optimization functional 140 as a tangential plane 300 to the three-dimensional space of the special boundary condition values.

Um Gleichung (1) zu lösen, soll das Rückkopplungssystem (6) eine eindeutige Lösung x(t) besitzen, so dass für t →∞, h(x(t)) = 0 und c(x(t)) = 0 gelten, wobei letzteres bedeutet, dass x(t) als t →∞ einem regulären Punkt entspricht, siehe 3 für eine Veranschaulichung eines regulären Punktes x* für zwei Nebenbedingungen c(x).In order to solve equation (1), the feedback system (6) should have a unique solution x(t) such that for t →∞, h(x(t)) = 0 and c(x(t)) = 0 apply , where the latter means that x(t) corresponds to a regular point as t →∞, see 3 for an illustration of a regular point x* for two constraints c(x).

Im Nachfolgenden soll eine detaillierte Beschreibung der hier vorgestellten Vorgehensweise beschrieben werden.A detailed description of the procedure presented here will be described below.

Es wird die folgende Klasse affiner nichtlinearer dynamischer Systeme mit mehreren Eingängen betrachtet: x ˙ = F ( x , u ) = f ( x ) + k = 1 N g k ( x ) u k ,   x ( t 0 ) = x 0 ,

Figure DE102022209555A1_0013
mit x D R n ,   x 0 D ,   u = ( u 1 , u 2 , , u m ) T U R m
Figure DE102022209555A1_0014
The following class of multi-input affine nonlinear dynamical systems is considered: x ˙ = F ( x , u ) = f ( x ) + k = 1 N G k ( x ) u k , x ( t 0 ) = x 0 ,
Figure DE102022209555A1_0013
with x D R n , x 0 D , u = ( u 1 , u 2 , , u m ) T U R m
Figure DE102022209555A1_0014

Es wird angenommen, dass für jedes x ( t 0 ) D

Figure DE102022209555A1_0015
und für jedes t∈ [t0, t1), das Anfangswertproblem eine eindeutige Lösung x : [ t 0 , t 1 ) D , t 0 < t t 1 <
Figure DE102022209555A1_0016
erzeugt. Dabei zu beachten ist das Optimierungsproblem min x J ( x )
Figure DE102022209555A1_0017
s .t h ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0018
mit der Kostenfunktion J : ℝn →ℝ+ und der nicht-linearen Nebenbedingung (bzw. des Gütefunktionals) h : ℝn → ℝIt is assumed that for each x ( t 0 ) D
Figure DE102022209555A1_0015
and for every t∈ [t 0 , t 1 ), the initial value problem has a unique solution x : [ t 0 , t 1 ) D , t 0 < t t 1 <
Figure DE102022209555A1_0016
generated. The optimization problem must be taken into account min x J ( x )
Figure DE102022209555A1_0017
s .t . H ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0018
with the cost function J : ℝ n →ℝ + and the non-linear constraint (or the quality functional) h : ℝ n → ℝ

Es kann angenommen werden, dass die Kostenfunktion J(x) zusammen mit der Nebenbedingung h(x) in eine Bedingung umformuliert werden kann zu h ( x ) = 0,

Figure DE102022209555A1_0019
was bedeutet, dass x* = x, so dass h(x*) = 0 impliziert, J(x*) < J(x)|x≠x*.It can be assumed that the cost function J(x) together with the constraint h(x) can be reformulated into a condition: H ( x ) = 0,
Figure DE102022209555A1_0019
which means that x* = x, so h(x*) = 0 implies J(x*) < J(x)| x≠x* .

Anstatt eine Wurzelfindungsmethode für Gleichung (9) anzuwenden, besteht das Ziel hier darin das dynamische System auszunutzen, um x* = x so zu bestimmen, dass h(x*) =0 gilt.Instead of using a root-finding method for Equation (9), the goal here is to exploit the dynamical system to determine x* = x such that h(x*) =0.

Ein nützlicher Ansatz ist der eines Optimierungsproblems mit unendlichem Horizont: min x , u ( )   J ( x , u ) = t 0 L ( x ( t ) , u ( t ) , t ) d t

Figure DE102022209555A1_0020
s .t  x ˙ = F ( x , u ) ,   x ( t 0 ) = x 0 ,
Figure DE102022209555A1_0021
wobei die Endkosten Null sind und die Endzeit frei ist, d. h. es die Form eines eines Optimierungsproblems mit unendlichem Horizont hat. Hier hat L = h ˙ = h x x ˙ ,
Figure DE102022209555A1_0022
die Mayer-Form, die ergibt J ( x , u ) = t 0 h x F ( x , u ) d t .
Figure DE102022209555A1_0023
A useful approach is that of an infinite horizon optimization problem: min x , u ( ) J ( x , u ) = t 0 L ( x ( t ) , u ( t ) , t ) d t
Figure DE102022209555A1_0020
s .t x ˙ = F ( x , u ) , x ( t 0 ) = x 0 ,
Figure DE102022209555A1_0021
where the final cost is zero and the final time is free, i.e. it has the form of an optimization problem with an infinite horizon. Here has L = H ˙ = H x x ˙ ,
Figure DE102022209555A1_0022
the Mayer form that results J ( x , u ) = t 0 H x F ( x , u ) d t .
Figure DE102022209555A1_0023

Für die weitere Analyse wird der ursprünglich beschriebene Lyapunov-basierte Aufbau verwendet, betrachtet und angepasst:

  • Theorem 3.1. Es wird das dynamische System h ˙ = h x F ( x , ϕ ( x ) ) ,   h ( x ( t 0 ) ) = h 0 ,   t 0,
    Figure DE102022209555A1_0024
    mit dem Leistungsfunktional (12) Optimierungsfunktional 140 betrachtet. Es existiert eine kontinuierlich differenzielle Funktion V ◯ h(x) = V(h) : ℝ→ ℝ und ein Steuergesetz ϕ ( x ) : D U
    Figure DE102022209555A1_0025
    derart, dass V ( 0 ) = 0
    Figure DE102022209555A1_0026
    V h ( x ) > 0,   h ,   h 0,
    Figure DE102022209555A1_0027
    V x ( x ) F ( x , ϕ ( x ) ) < 0,   h ,   h 0,
    Figure DE102022209555A1_0028
    H ( x , ϕ ( x ) ) = 0,   h ,
    Figure DE102022209555A1_0029
    H ( x , u ) 0,   h ,   u U ,
    Figure DE102022209555A1_0030
wobei H ( x , u ) = L ( x ) + V x ( x ) F ( x , u ) .
Figure DE102022209555A1_0031
For further analysis, the originally described Lyapunov-based setup is used, considered and adapted:
  • Theorem 3.1. It becomes the dynamic system H ˙ = H x F ( x , ϕ ( x ) ) , H ( x ( t 0 ) ) = H 0 , t 0,
    Figure DE102022209555A1_0024
    with the performance functional (12) optimization functional 140 considered. There is a continuous differential function V ◯ h(x) = V(h) : ℝ→ ℝ and a control law ϕ ( x ) : D U
    Figure DE102022209555A1_0025
    such that v ( 0 ) = 0
    Figure DE102022209555A1_0026
    v H ( x ) > 0, H , H 0,
    Figure DE102022209555A1_0027
    v x ( x ) F ( x , ϕ ( x ) ) < 0, H , H 0,
    Figure DE102022209555A1_0028
    H ( x , ϕ ( x ) ) = 0, H ,
    Figure DE102022209555A1_0029
    H ( x , u ) 0, H , u U ,
    Figure DE102022209555A1_0030
where H ( x , u ) = L ( x ) + v x ( x ) F ( x , u ) .
Figure DE102022209555A1_0031

Mit der Rückkopplung u = ϕ(x;h(x)) ergibt sich dann die Lösung h ≡ 0 des Regelkreis-Systems h ˙ ψ ( h ) ,

Figure DE102022209555A1_0032
asymptotisch stabil und es existiert eine Umgebung des Ursprungs D 0 D
Figure DE102022209555A1_0033
derart, dass J ( x 0 , ϕ ( x ( ) ; h ( x ( ) ) ) ) = V ( x 0 ) ,   x D 0 .
Figure DE102022209555A1_0034
J ( x 0 , ϕ ( x ( ) ; h ( x ( ) ) ) ) = min u S ( x 0 ) J ( x 0 , u ( ) ) ,
Figure DE102022209555A1_0035
With the feedback u = ϕ(x;h(x)) the solution h ≡ 0 of the control loop system results H ˙ ψ ( H ) ,
Figure DE102022209555A1_0032
asymptotically stable and a neighborhood of the origin exists D 0 D
Figure DE102022209555A1_0033
such that J ( x 0 , ϕ ( x ( ) ; H ( x ( ) ) ) ) = v ( x 0 ) , x D 0 .
Figure DE102022209555A1_0034
J ( x 0 , ϕ ( x ( ) ; H ( x ( ) ) ) ) = min u S ( x 0 ) J ( x 0 , u ( ) ) ,
Figure DE102022209555A1_0035

Beweis. Aus (14c) folgt, dass V ˙ ( h ( x ) ) = V x ( x ) F ( x , ϕ ( x ) ) < 0,   t 0,   h 0.

Figure DE102022209555A1_0036
Proof. From (14c) it follows that v ˙ ( H ( x ) ) = v x ( x ) F ( x , ϕ ( x ) ) < 0, t 0, H 0.
Figure DE102022209555A1_0036

Aus (14a), (14b) und (19) folgt also, dass V(·)eine Lyapunov-Funktion ist, und daher folgt aus der direkten Lyapunov-Methode, dass die Null-Lösung h = 0 des dynamischen Systems (13) lokal asymptotisch stabil ist. Da 0 = V ˙ ( h ( x ) ) + V x ( x ) F ( x , u ) < 0,   t 0,   h 0

Figure DE102022209555A1_0037
ergibt sich L ( x ( t ) , u ( t ) ) = V ˙ ( h ( x ( t ) ) ) + L ( x ( t ) , u ( t ) ) + V x ( x ( t ) ) F ( x ( t ) , u ( t ) )
Figure DE102022209555A1_0038
= V ˙ ( h ( x ( t ) ) ) + H ( x ( t ) , u ( t ) ) .
Figure DE102022209555A1_0039
So from (14a), (14b) and (19) it follows that V(·) is a Lyapunov function, and therefore from the direct Lyapunov method it follows that the zero solution h = 0 of the dynamic system (13) is locally asymptotically stable. There 0 = v ˙ ( H ( x ) ) + v x ( x ) F ( x , u ) < 0, t 0, H 0
Figure DE102022209555A1_0037
surrendered L ( x ( t ) , u ( t ) ) = v ˙ ( H ( x ( t ) ) ) + L ( x ( t ) , u ( t ) ) + v x ( x ( t ) ) F ( x ( t ) , u ( t ) )
Figure DE102022209555A1_0038
= v ˙ ( H ( x ( t ) ) ) + H ( x ( t ) , u ( t ) ) .
Figure DE102022209555A1_0039

Aufgrund von (14e), und u = ϕ(x), J ( x 0 , u ( ) ) = t 0 V ˙ ( h ( x ( t ) ) ) + H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t

Figure DE102022209555A1_0040
= lim t   V ( h ( x ( t ) ) ) + V ( ( h ( x 0 ) ) ) + t 0 H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t
Figure DE102022209555A1_0041
= V ( ( h ( x 0 ) ) ) + t 0 H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t
Figure DE102022209555A1_0042
V ( ( h ( x 0 ) ) ) J ( x 0 , Φ ( x ; h ( x ) ) ) ,
Figure DE102022209555A1_0043
was zu Gleichung (18) führt.Due to (14e), and u = ϕ(x), J ( x 0 , u ( ) ) = t 0 v ˙ ( H ( x ( t ) ) ) + H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t
Figure DE102022209555A1_0040
= lim t v ( H ( x ( t ) ) ) + v ( ( H ( x 0 ) ) ) + t 0 H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t
Figure DE102022209555A1_0041
= v ( ( H ( x 0 ) ) ) + t 0 H ( x ( t ) , u ( t ) ) d t
Figure DE102022209555A1_0042
v ( ( H ( x 0 ) ) ) J ( x 0 , Φ ( x ; H ( x ) ) ) ,
Figure DE102022209555A1_0043
which leads to equation (18).

Hierbei kann die Rückkopplung besonders vorteilhaft gestaltet werden. Im Folgenden wird daher vorgeschlagen, wie erstens die Rückkopplung u = Φ(x) abgeleitet werden kann, was auf einer exakten Rückkopplungslinearisierung beruht, und zweitens, wie die optimalen Punkte x* unter der Bedingung h(x*) = 0 bestimmt werden können.The feedback can be designed to be particularly advantageous. The following therefore proposes how, firstly, the feedback u = Φ(x) can be derived, which is based on an exact feedback linearization, and secondly, how the optimal points x* can be determined under the condition h(x*) = 0.

Es wird die Gleichung (15) mit der Bedingung aus Gleichung (14d) betrachtet, und das und das nicht-lineare dynamische System aus Gleichung (7): d d t h ( x ) = h x x ˙ = L f h + L g 1 h u 1 + L g 2 h u 2 + + L g m h u m ,

Figure DE102022209555A1_0044
näher berücksichtigt, wobei der Einfachheit halber die Richtungsableitungen ausgedrückt werden durch die Lie-Ableitung L f h = h x f
Figure DE102022209555A1_0045
einer Funktion h nach f.Equation (15) with the condition from equation (14d) is considered, and this and the non-linear dynamic system from equation (7): d d t H ( x ) = H x x ˙ = L f H + L G 1 H u 1 + L G 2 H u 2 + + L G m H u m ,
Figure DE102022209555A1_0044
considered in more detail, whereby for simplicity the directional derivatives are expressed by the Lie derivative L f H = H x f
Figure DE102022209555A1_0045
a function h to f.

Die Rückkopplung u = (u1, u2, ... , uM), mit uk, k = 1, 2, ... , m ist definiert als u k = ( v L f h ) = L g k h ( L g 1 h , , L g m h ) 2 ,

Figure DE102022209555A1_0046
mit einem neuen Eingang v linearisiert das System aus Gleichung (27) genau, d. h., d d t h = v .
Figure DE102022209555A1_0047
The feedback u = (u 1 , u 2 , ... , u M ), with u k , k = 1, 2, ... , m is defined as u k = ( v L f H ) = L G k H ( L G 1 H , , L G m H ) 2 ,
Figure DE102022209555A1_0046
with a new input v the system from equation (27) linearizes exactly, i.e. d d t H = v .
Figure DE102022209555A1_0047

Betrachtet wird nun ein Lyapunov-Funktionskandidaten als V = 1/2h2 mit seiner zeitlichen Ableitung h d d t h = h v .

Figure DE102022209555A1_0048
Now consider a Lyapunov function candidate as V = 1/2h 2 with its time derivative H d d t H = H v .
Figure DE102022209555A1_0048

Es wird v so gewählt, dass für das skalare System gilt h d d t h < 0, h 0

Figure DE102022209555A1_0049
garantiert, dass für jede Anfangsbedingung h0 = h(x(t0)), h(t) → 0 als t→∞.v is chosen so that it applies to the scalar system H d d t H < 0, H 0
Figure DE102022209555A1_0049
guarantees that for any initial condition h 0 = h(x(t 0 )), h(t) → 0 as t→∞.

Eine mögliche Wahl kann sein v = λ h ,   λ > 0,

Figure DE102022209555A1_0050
für die Gleichung (29) folgendes ergibt h ˙ = λ h .
Figure DE102022209555A1_0051
A possible choice can be v = λ H , λ > 0,
Figure DE102022209555A1_0050
for equation (29) the following results H ˙ = λ H .
Figure DE102022209555A1_0051

Die Rückkopplung aus Gleichung (28) kann auf das dynamische System aus Gleichung (7) angewendet werden, um die Lösungen x(t) zu bestimmen, die h(x) = 0 lösen. Es hat die folgende Form: x ˙ = f ( x ) + k = 1 N g k ( x ) ( v L f h ) L g k h ( L g 1 h , , L g n h ) 2 ,   x 0 = x ( t 0 ) .

Figure DE102022209555A1_0052
The feedback from Equation (28) can be applied to the dynamical system from Equation (7) to determine the solutions x(t) that solve h(x) = 0. It has the following form: x ˙ = f ( x ) + k = 1 N G k ( x ) ( v L f H ) L G k H ( L G 1 H , , L G n H ) 2 , x 0 = x ( t 0 ) .
Figure DE102022209555A1_0052

Es sei angemerkt, dass das abgeleitete geschlossene Regelsystem Gleichung (6) entspricht.Note that the derived closed-loop control system corresponds to equation (6).

Es wird die weiterhin auf die Stabilität des vorstehend genannten geschlossenen Regelkreises näher eingegangen. Zunächst werden gemäß G = ( g 1 ( ) , g 2 ( ) , , g m ( ) ) ,

Figure DE102022209555A1_0053
die Terme auf der rechten Seite entsprechend der vorstehenden Beschreibung wie folgt geschrieben G G T ( h x ) T h x h x G G T ( h x ) T f ( x ) = k = 1 N g k ( x ) L f h L g k h ( L g 1 h , , L g n h ) 2 ,
Figure DE102022209555A1_0054
v G G T ( h x ) T h x G G T ( h x ) T = k = 1 N g k ( x ) v L g k h ( L g 1 h , , L g n h ) 2 .
Figure DE102022209555A1_0055
The stability of the above-mentioned closed control loop will also be discussed in more detail. First, according to G = ( G 1 ( ) , G 2 ( ) , , G m ( ) ) ,
Figure DE102022209555A1_0053
the terms on the right are written as follows according to the description above G G T ( H x ) T H x H x G G T ( H x ) T f ( x ) = k = 1 N G k ( x ) L f H L G k H ( L G 1 H , , L G n H ) 2 ,
Figure DE102022209555A1_0054
v G G T ( H x ) T H x G G T ( H x ) T = k = 1 N G k ( x ) v L G k H ( L G 1 H , , L G n H ) 2 .
Figure DE102022209555A1_0055

Mit B ( x ) : = G G T ( h x ) T h x h x G G T ( h x ) T

Figure DE102022209555A1_0056
und C ( x ) : = G G T ( h x ) T h x G G T ( h x ) T
Figure DE102022209555A1_0057
nimmt das dynamische genannte System (3.3.1) die kompakte Form an: x ˙ = f ( x ) B ( x ) f ( x ) + v C ( x ) ,   x 0 = x ( t 0 ) .
Figure DE102022209555A1_0058
With b ( x ) : = G G T ( H x ) T H x H x G G T ( H x ) T
Figure DE102022209555A1_0056
and C ( x ) : = G G T ( H x ) T H x G G T ( H x ) T
Figure DE102022209555A1_0057
the dynamic system called (3.3.1) takes the compact form: x ˙ = f ( x ) b ( x ) f ( x ) + v C ( x ) , x 0 = x ( t 0 ) .
Figure DE102022209555A1_0058

Theorem 3.2. Für die in Gleichung (37) definierte Matrix gilt 0 x T B x x T x ,   f o r   a l l   x n .

Figure DE102022209555A1_0059
Theorem 3.2. For the matrix defined in equation (37) applies 0 x T b x x T x , f O r a l l x n .
Figure DE102022209555A1_0059

Beweis: Da die Matrix ( h x ) T h x ,

Figure DE102022209555A1_0060
durch ein äußeres Produkt gebildet wird, hat sie den Rang 1. Somit hat auch N : = G G T ( h x ) T h x
Figure DE102022209555A1_0061
den Rang 1, was bedeutet, dass nur ein Eigenwert von N ungleich Null ist. Damit gilt: N = N T ,  tr ( N ) = i = 1 n λ ( N ) .
Figure DE102022209555A1_0062
Proof: There the matrix ( H x ) T H x ,
Figure DE102022209555A1_0060
is formed by an external product, it has rank 1. Therefore also has N : = G G T ( H x ) T H x
Figure DE102022209555A1_0061
has rank 1, which means that only one eigenvalue of N is non-zero. This means: N = N T , tr ( N ) = i = 1 n λ ( N ) .
Figure DE102022209555A1_0062

Aufgrund der zyklischen Eigenschaft der Spur tr ( N ) = h x G G T ( h x ) T ,

Figure DE102022209555A1_0063
also λmax(B) = 1 und λmin(B) = 0. Die Ungleichung (40) folgt aus dem Min-Max-Theorem.Due to the cyclic nature of the track tr ( N ) = H x G G T ( H x ) T ,
Figure DE102022209555A1_0063
so λ max (B) = 1 and λ min (B) = 0. Inequality (40) follows from the min-max theorem.

Vermutung 3.3. Ohne Verlust der Allgemeinheit gilt für die in Gleichung (38) definierte Matrix, C ( x ) = G G T ( h x ) T h x G G T ( h x ) T = G h x G ,

Figure DE102022209555A1_0064
sodass angenommen wird, dass C ( x ) a x k ,   k > 0, a > 0,   h x G 0.
Figure DE102022209555A1_0065
Conjecture 3.3. Without loss of generality, for the matrix defined in equation (38), C ( x ) = G G T ( H x ) T H x G G T ( H x ) T = G H x G ,
Figure DE102022209555A1_0064
so that it is assumed that C ( x ) a x k , k > 0, a > 0, H x G 0.
Figure DE102022209555A1_0065

Theorem 3.4. Wird das dynamische System ohne Eingabe x ˙ = f ( x ) ,

Figure DE102022209555A1_0066
betrachtet und es angenommen wird, dass der folgende Zusammenhang existiert V = 1 2 x T x ,
Figure DE102022209555A1_0067
derart, dass V ˙ = V x f ( x ) 0.
Figure DE102022209555A1_0068
gilt.Theorem 3.4. Becomes the dynamic system without input x ˙ = f ( x ) ,
Figure DE102022209555A1_0066
considered and it is assumed that the following relationship exists v = 1 2 x T x ,
Figure DE102022209555A1_0067
such that v ˙ = v x f ( x ) 0.
Figure DE102022209555A1_0068
applies.

Dann sind die Trajektorien von x ˙ = f ( x ) B ( x ) f ( x ) λ h ( x ) C ( x ) ,   x 0 = x ( t 0 ) ,

Figure DE102022209555A1_0069
begrenzt.Then the trajectories of are x ˙ = f ( x ) b ( x ) f ( x ) λ H ( x ) C ( x ) , x 0 = x ( t 0 ) ,
Figure DE102022209555A1_0069
limited.

Als Beweis kann Folgendes angegeben werden. Wird der quadratische Lyapunov-Funktionskandidat V = 1 2 x T x ,

Figure DE102022209555A1_0070
mit der zeitlichen Ableitung V ˙ = x T x ˙
Figure DE102022209555A1_0071
= x T f ( x ) x T B f ( x ) x T λ h C ( x )
Figure DE102022209555A1_0072
= x T ( I B ) f ( x ) x T λ h C ( x ) .
Figure DE102022209555A1_0073
The following can be given as evidence. Becomes the quadratic Lyapunov function candidate v = 1 2 x T x ,
Figure DE102022209555A1_0070
with the time derivative v ˙ = x T x ˙
Figure DE102022209555A1_0071
= x T f ( x ) x T b f ( x ) x T λ H C ( x )
Figure DE102022209555A1_0072
= x T ( I b ) f ( x ) x T λ H C ( x ) .
Figure DE102022209555A1_0073

Da angenommen wird, dass xT f(x) ≤ 0 ist, und aufgrund von 0 I B I ,

Figure DE102022209555A1_0074
gilt V ˙ x T λ h ( x ) C ( x )
Figure DE102022209555A1_0075
λ | h ( x ) | x k a .
Figure DE102022209555A1_0076
Since it is assumed that x T f(x) ≤ 0, and due to 0 I b I ,
Figure DE102022209555A1_0074
applies v ˙ x T λ H ( x ) C ( x )
Figure DE102022209555A1_0075
λ | H ( x ) | x k a .
Figure DE102022209555A1_0076

Da gil: ḣ = -λ h, h0 = (t0), h(t) = h0 e-λ(t-t0), folgt, V ˙ λ a | h 0 | e λ ( t t 0 ) x k .

Figure DE102022209555A1_0077
Since ḣ = -λ h, h 0 = (t 0 ), h(t) = h 0 e -λ(tt 0 ) , follows, v ˙ λ a | H 0 | e λ ( t t 0 ) x k .
Figure DE102022209555A1_0077

Nun wird das Vergleichsprinzip ausgenutzt, daher wird Ilxll = (2 V)½ in die rechte Seite von Gleichung (53) eingesetzt, so dass sich ergibt V ˙ λ | h 0 | e λ ( t t 0 ) a 2 k 2 V k 2 .

Figure DE102022209555A1_0078
Now the comparison principle is exploited, so Ilxll = (2 V) ½ is inserted into the right-hand side of equation (53) to give v ˙ λ | H 0 | e λ ( t t 0 ) a 2 k 2 v k 2 .
Figure DE102022209555A1_0078

Wenn die obere Schranke der Differentialungleichung (54) genommen wird, folgt die trennbare Gleichung d V d t = λ | h ( x ) | a 2 k 2 V k 2 .

Figure DE102022209555A1_0079
If the upper bound of the differential inequality (54) is taken, the separable equation follows d v d t = λ | H ( x ) | a 2 k 2 v k 2 .
Figure DE102022209555A1_0079

Die Integration der getrennten Gleichung ergibt: V 0 V V k 2 dV = t 0 t λ a | h 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 d t ,

Figure DE102022209555A1_0080
2 2 k V 2 k 2 2 2 k V 0 2 k 2 = a | h 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 + a | h 0 | 2 k 2 ,
Figure DE102022209555A1_0081
2 2 k V 2 k 2 = a | h 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 + C
Figure DE102022209555A1_0082
mit C : a | h 0 | 2 k 2 + 2 2 k V 0 2 k 2
Figure DE102022209555A1_0083
Daraus folgt, V ( t ) = ( k 2 2 ( a | h 0 | 2 k 2 e λ ( t t 0 ) C ) ) 2 2 k .
Figure DE102022209555A1_0084
Integrating the separate equation gives: v 0 v v k 2 dv = t 0 t λ a | H 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 d t ,
Figure DE102022209555A1_0080
2 2 k v 2 k 2 2 2 k v 0 2 k 2 = a | H 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 + a | H 0 | 2 k 2 ,
Figure DE102022209555A1_0081
2 2 k v 2 k 2 = a | H 0 | e λ ( t t 0 ) 2 k 2 + C
Figure DE102022209555A1_0082
with C : a | H 0 | 2 k 2 + 2 2 k v 0 2 k 2
Figure DE102022209555A1_0083
It follows, v ( t ) = ( k 2 2 ( a | H 0 | 2 k 2 e λ ( t t 0 ) C ) ) 2 2 k .
Figure DE102022209555A1_0084

Bei t →∞ ist die obere V + ( 2 k 2 C ) 2 2 k

Figure DE102022209555A1_0085
Daraus folgt, für t →∞, V ( 2 k 2 C ) 2 2 k
Figure DE102022209555A1_0086
 
Figure DE102022209555A1_0087
und x 2 ( 2 k 2 C ) 1 2 k ,
Figure DE102022209555A1_0088
was zeigt, dass Ilxll begrenzt ist. □At t →∞ is the upper one v + ( 2 k 2 C ) 2 2 k
Figure DE102022209555A1_0085
It follows, for t →∞, v ( 2 k 2 C ) 2 2 k
Figure DE102022209555A1_0086
Figure DE102022209555A1_0087
and x 2 ( 2 k 2 C ) 1 2 k ,
Figure DE102022209555A1_0088
which shows that Ilxll is limited. □

Für eine allgemeine nichtlineare Nebenbedingung c(x) = 0 kann eine Injektion in das Rückkopplungssystem der Form x ˙ = f ( x ) B ( x ) f ( x ) λ h ( x ) C ( x ) + γ c T ( x ) x ,   γΓ c T ( x ) x 0

Figure DE102022209555A1_0089
angewendet werden, um die Bedingung c(x*) = 0 zu erfüllen. Alternativ kann die Optimalitätsbedingung h auch um einen Strafterm erweitert werden h ˜ = h + γ Γ ˜ c ( x ) ,   Γ ˜ 1 × m ,   γ 0.
Figure DE102022209555A1_0090
For a general nonlinear constraint c(x) = 0, an injection into the feedback system of the form x ˙ = f ( x ) b ( x ) f ( x ) λ H ( x ) C ( x ) + γ c T ( x ) x , γΓ c T ( x ) x 0
Figure DE102022209555A1_0089
be applied to satisfy the condition c(x*) = 0. Alternatively, the optimality condition h can also be extended to include a penalty term H ˜ = H + γ Γ ˜ c ( x ) , Γ ˜ 1 × m , γ 0.
Figure DE102022209555A1_0090

Zusammenfassend lassen sich für den hier neu vorgestellten Ansatz vorlgende Vorteile nennen. Die Erfindung ermöglicht:

  • - Bestimmung von optimalen Sollwerten für die optimale Regelung dynamischer Systeme (z. B. Fahrzeugsysteme, mechatronische Systeme).
  • - Bestimmung optimaler Sollwerte für die optimale Regelung dynamischer Systeme (z. B. Kraftfahrzeugsysteme, mechatronische Systeme) in Echtzeit während des Betriebs.
  • - Berücksichtigung möglicher nichtlinearer Eigenschaften bei der Bestimmung der der optimalen Sollwerte.
  • - Berücksichtigung der expliziten und exakten Dynamik für die Bestimmung der optimalen Sollwerte.
In summary, the advantages of the new approach presented here can be mentioned. The invention enables:
  • - Determination of optimal setpoints for the optimal control of dynamic systems (e.g. vehicle systems, mechatronic systems).
  • - Determination of optimal setpoints for the optimal control of dynamic systems (e.g. automotive systems, mechatronic systems) in real time during operation.
  • - Consideration of possible non-linear properties when determining the optimal setpoints.
  • - Consideration of the explicit and exact dynamics for determining the optimal setpoints.

Die Steuereinheit bzw. Reglereinheit 120 kann zyklisch (oder bei jeder Probe) oder ereignisorientiert die folgenden Schritte durchführen:

  1. 1. Warten auf eine Änderung einer gewünschten oder vorgegebenen Zwangsbedingung c* = c(x) und Messung oder Schätzung der Komponenten des Zustands x. (Die gewünschte Nebenbedingung c* = c(x) kann von einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben werden. Beispielsweise: Bei einem elektrischen Antrieb gibt das Motorsteuergerät ein gewünschtes Motordrehmoment T* = c* aufgrund der Messung einer Gaspedal-Aktivität vor.)
  2. 2. Numerische Integration des vorstehend beschriebenen geregelten dynamischen Systems in Bezug auf die Zeit im Steuergerät bzw. der Reglereinheit.
  3. 3. Ausgabe der ermittelten/integrierten optimalen Punkte x* an das überlagerte Regelsystem.
  4. 4. Regelung des Zustandes x des mechatronischen dynamischen Systems
The control unit or regulator unit 120 can carry out the following steps cyclically (or for each sample) or event-oriented:
  1. 1. Wait for a change in a desired or given constraint c* = c(x) and measure or estimate the components of state x. (The desired secondary condition c* = c(x) can be specified by a higher-level control unit. For example: In an electric drive, the engine control unit specifies a desired engine torque T* = c* based on the measurement of accelerator pedal activity.)
  2. 2. Numerical integration of the controlled dynamic system described above with respect to the time in the control device or the regulator unit.
  3. 3. Output of the determined/integrated optimal points x* to the superimposed control system.
  4. 4. Control of the state x of the mechatronic dynamic system

Der hier vorgestellte Ansatz eignet sich für mehrere Einsatzszenarios, wie beispielsweise

  • - Einsatz für alle Varianten dynamischer Systeme oder mechatronischer Systeme, z. B.
  • - Stellantriebe
  • - Traktionsantriebe
  • - synchrone Antriebe
  • - Automotive Systeme
  • - Fahrzeuge
  • - Fahrräder
  • - Bremssysteme
  • - Lenksysteme
  • - Stromumrichter
  • - Windenergiesysteme
The approach presented here is suitable for several application scenarios, such as:
  • - Use for all variants of dynamic systems or mechatronic systems, e.g. b.
  • - Actuators
  • - Traction drives
  • - synchronous drives
  • - Automotive systems
  • - Vehicles
  • - Cycles
  • - Braking systems
  • - Steering systems
  • - Power converter
  • - Wind energy systems

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren 400 zur Regelung eines mechatronischen Systems. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 410 des Einlesens von Sollwerten für physikalischen Größen des mechatronischen Systems, wobei sich die Sollwerte im Zeitablauf geändert hatten und, ansprechend auf das Einlesen, Bestimmen oder Einlesen von aktuellen Werten der physikalischen Größen des mechatronischen Systems. Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 420 des Integrierens eines von den Sollwerten und den aktuellen Werten abhängigen Optimierungsfunktionals über die Zeit, um Regelungswerte für die physikalischen Größen zu erhalten. Schließlich umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 430 des Ausgebens eines Regelungssignals zum Regeln des mechatronischen Systems unter Verwendung der ermittelten Regelungswerte für die physikalischen Größen 4 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the approach presented here as a method 400 for controlling a mechatronic system. The method 400 includes a step 410 of reading in setpoints for physical quantities of the mechatronic system, the setpoints having changed over time and, in response to the reading, determining or reading in current values of the physical quantities of the mechatronic system. Furthermore, the method 400 includes a step 420 of integrating an optimization functional that is dependent on the setpoint values and the current values over time in order to obtain control values for the physical variables. Finally, the method 400 includes a step 430 of outputting a control signal for controlling the mechatronic system using the determined control values for the physical variables

5 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Implementierungsstruktur der Reglereinheit 120. Zunächst werden in der Einleseschnittstelle die Randbedingungen c*=c(x) eingelesen. Hieran anschließend erfolgt in der Integriereinheit 135 eine numerische Integration des Optimierungsfunktionals über die Zeit, wobei dieses Optimierungsfunktional allgemein als ẋ = F(x), x(t0) = x0 wiedergegeben werden kann. In einer hieran anschließenden Ausgabeeinheit 145 werden dann zunächst in einer Ermittlungseinheit 500 die optimalen Regelungswerte x* ermittelt, bevor aus diesen Regelungswerten x* dann in einer Ansteuereinheit 510 die betreffenden Regelungssignale 150 ermittelt werden, die dann wiederum die Zustandswerte x für das mechatronische System 100 in einem nachfolgenden Zustandsraum bilden. 5 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an implementation structure of the controller unit 120. First, the boundary conditions c*=c(x) are read into the read-in interface. This is followed by a numerical integration of the optimization functional over time in the integrating unit 135, whereby this optimization functional is generally referred to as ẋ = F (x), x(t 0 ) = x 0 can be reproduced. In a subsequent output unit 145, the optimal control values x* are then first determined in a determination unit 500, before the relevant control signals 150 are determined from these control values x* in a control unit 510, which then in turn determine the state values x for the mechatronic system 100 form a subsequent state space.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.The exemplary embodiments described and shown in the figures are only chosen as examples. Different exemplary embodiments can be combined with one another completely or with regard to individual features. An exemplary embodiment can also be supplemented by features of a further exemplary embodiment.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.Furthermore, method steps according to the invention can be repeated and carried out in an order other than that described.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment includes an “and/or” link between a first feature and a second feature, this can be read as meaning that, according to one embodiment, the exemplary embodiment has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

Claims (12)

Verfahren zur Regelung eines mechatronischen Systems (100), wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte aufweist: - Einlesen (410) von Sollwerten (c(x)) für physikalischen Größen des mechatronischen Systems (100), wobei die Sollwerte (c(x)) im Zeitablauf geändert wurden und, ansprechend auf das Einlesen, Bestimmen oder Einlesen von aktuellen Werten (x) der physikalischen Größen des mechatronischen Systems (100); - Integrieren (420) eines von den Sollwerten (c(x)) und den aktuellen Werten (x) abhängigen Optimierungsfunktionals (140, J) über die Zeit, um Regelungswerte (x*) für die physikalischen Größen zu erhalten; und - Ausgeben (430) eines Regelungssignals (150) zum Regeln des mechatronischen Systems (100) unter Verwendung der ermittelten Regelungswerte (x*) für die physikalischen Größen.Method for controlling a mechatronic system (100), the method (400) having the following steps: - Reading in (410) of setpoint values (c(x)) for physical quantities of the mechatronic system (100), the setpoint values (c(x)) being changed over time and, in response to the reading in, determining or reading in current values ( x) the physical variables of the mechatronic system (100); - Integrating (420) an optimization functional (140, J) dependent on the setpoint values (c(x)) and the current values (x) over time in order to obtain control values (x*) for the physical variables; and - Outputting (430) a control signal (150) for controlling the mechatronic system (100) using the determined control values (x*) for the physical variables. Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Integrierens das Optimierungsfunktional (140, J) verwendet wird, das eine zu minimierende Kostenfunkton (J) repräsentiert, insbesondere wobei das Optimierungsfunktional (140, J) eine skalare Größe abbildet.Procedure (400) according to Claim 1 , characterized in that in step (420) of integrating, the optimization functional (140, J) is used, which represents a cost function (J) to be minimized, in particular wherein the optimization functional (140, J) represents a scalar quantity. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Integrierens ein Optimierungsfunktional (140, J) auf der Basis eines Gütefunktionals (h(x)) verwendet wird, das eine Randbedingung (h) für die die physikalischen Größen des mechatronischen Systems (100) abbildet, insbesondere wobei das Gütefunktional (h(x)) für die aktuellen Werte (x) der physikalischen Größen und/oder für die Regelungswerte (x*) einen Wert von Null ergibt und/oder wobei das Gütefunktionals (h(x)) ein nicht-lineares Funktional ist.Method (400) according to one of the preceding claims, characterized in that in the step (420) of integrating, an optimization functional (140, J) is used based on a quality functional (h (x)) which provides a boundary condition (h) for the represents the physical variables of the mechatronic system (100), in particular wherein the quality functional (h(x)) for the current values (x) of the physical variables and/or for the control values (x*) results in a value of zero and/or where the quality functional (h(x)) is a non-linear functional. Verfahren (400) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (420) des Integrierens unter Verwendung einer Lie-Ableitung (L) des Gütefunktionals (h(x)) ausgeführt wird.Procedure (400) according to Claim 3 , characterized in that the step (420) of integrating is carried out using a Lie derivative (L) of the quality functional (h (x)). Verfahren (400) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (420) des Integrierens unter Verwendung einer Lyapunov-Funktion des Gütefunktionals (h(x)) nach der Zeit ausgeführt wird, insbesondere wobei eine Ableitung (v) der Lyapunov-Funktion des Gütefunktionals (h(x)) verwendet wird.Procedure (400) according to Claim 3 or 4 , characterized in that the step (420) of integrating is carried out using a Lyapunov function of the quality functional (h (x)) in time, in particular wherein a derivative (v) of the Lyapunov function of the quality functional (h (x) ) is used. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (420) des Integrierens über ein bis ins Unendliche reichendes Zeitintervall integriert wird.Method (400) according to one of the preceding claims, characterized in that in the step (420) of integrating, integration is carried out over a time interval extending to infinity. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (420) des Integrierens ferner unter Verwendung von Regelungswerten (x*) ausgeführt wird, die in einem vorangegangenen Schritt (420) des Integrierens erhalten wurden.Method (400) according to one of the preceding claims, characterized in that the step (420) of integrating is further carried out using control values (x*) obtained in a previous step (420) of integrating. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (410) des Einlesens als physikalischen Größen zumindest ein Wert (x) eingelesen wird, der eine Spannung, einen Strom, einen Druck, eine Kraft und/oder ein Moment repräsentiert.Method (400) according to one of the preceding claims, characterized in that in the step (410) of reading in at least one value (x) is read in as physical variables, which is a voltage, a current, a pressure, a force and / or a moment represented. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (430) des Ausgebens das Regelungssignal (150) zur Ansteuerung eines Antriebssystems (125), Bremssystems, Fahrzeugs, Steuersystems und/oder Energiewandlungssystems ausgegeben wird.Method (400) according to one of the preceding claims, characterized in that in the step (430) of outputting, the control signal (150) for controlling a drive system (125), braking system, vehicle, control system and/or energy conversion system is output. Reglereinheit (120), die eingerichtet ist, um die Schritte (410, 420, 430) des Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (115, 135, 145) auszuführen und/oder anzusteuern.Controller unit (120), which is set up to carry out and/or control the steps (410, 420, 430) of the method (400) according to one of the preceding claims in corresponding units (115, 135, 145). Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (410, 420, 430) des Verfahrens (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern, wenn das Computerprogramm auf einer Reglereinheit (120) oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Computer program that is set up to execute and/or control the steps (410, 420, 430) of the method (400) according to one of the preceding claims when the computer program is executed on a control unit (120) or a device. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program can be written Claim 11 is stored.
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Non-Patent Citations (2)

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