DE102022209555A1 - Method and control unit for controlling a mechatronic system - Google Patents
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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. 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.
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:
- (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:
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:
Anstelle der letztgenannten Bedingungen aufgrund der orthogonalen inneren Produkte, wird ∇(x*) üblicherweise als Linearkombination der Zeilen von ∇cT(x) als
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
- - 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.
- - 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.
-
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.
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.
- -
- - 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.
- -
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
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,
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
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:
Es wird angenommen, dass für jedes
Es kann angenommen werden, dass die Kostenfunktion J(x) zusammen mit der Nebenbedingung h(x) in eine Bedingung umformuliert werden kann zu
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:
Für die weitere Analyse wird der ursprünglich beschriebene Lyapunov-basierte Aufbau verwendet, betrachtet und angepasst:
- Theorem 3.1. Es wird das dynamische System
Optimierungsfunktional 140 betrachtet. Es existiert eine kontinuierlich differenzielle Funktion V ◯ h(x) = V(h) : ℝ→ ℝ und ein Steuergesetz
- Theorem 3.1. It becomes the dynamic system
Mit der Rückkopplung u = ϕ(x;h(x)) ergibt sich dann die Lösung h ≡ 0 des Regelkreis-Systems
Beweis. Aus (14c) folgt, dass
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
Aufgrund von (14e), und u = ϕ(x),
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):
Die Rückkopplung u = (u1, u2, ... , uM), mit uk, k = 1, 2, ... , m ist definiert als
Betrachtet wird nun ein Lyapunov-Funktionskandidaten als V = 1/2h2 mit seiner zeitlichen Ableitung
Es wird v so gewählt, dass für das skalare System gilt
Eine mögliche Wahl kann sein
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:
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
Mit
Theorem 3.2. Für die in Gleichung (37) definierte Matrix gilt
Beweis: Da die Matrix
Aufgrund der zyklischen Eigenschaft der Spur
Vermutung 3.3. Ohne Verlust der Allgemeinheit gilt für die in Gleichung (38) definierte Matrix,
Theorem 3.4. Wird das dynamische System ohne Eingabe
Dann sind die Trajektorien von
Als Beweis kann Folgendes angegeben werden. Wird der quadratische Lyapunov-Funktionskandidat
Da angenommen wird, dass xT f(x) ≤ 0 ist, und aufgrund von
Da gil: ḣ = -λ h, h0 = (t0), h(t) = h0 e-λ(t-t
Nun wird das Vergleichsprinzip ausgenutzt, daher wird Ilxll = (2 V)½ in die rechte Seite von Gleichung (53) eingesetzt, so dass sich ergibt
Wenn die obere Schranke der Differentialungleichung (54) genommen wird, folgt die trennbare Gleichung
Die Integration der getrennten Gleichung ergibt:
Bei t →∞ ist die obere
Für eine allgemeine nichtlineare Nebenbedingung c(x) = 0 kann eine Injektion in das Rückkopplungssystem der Form
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.
- - 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. 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. Numerische Integration des vorstehend beschriebenen geregelten dynamischen Systems in Bezug auf die Zeit im Steuergerät bzw. der Reglereinheit.
- 3. Ausgabe der ermittelten/integrierten optimalen Punkte x* an das überlagerte Regelsystem.
- 4. Regelung des Zustandes x des mechatronischen dynamischen Systems
- 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. Numerical integration of the controlled dynamic system described above with respect to the time in the control device or the regulator unit.
- 3. Output of the determined/integrated optimal points x* to the superimposed control system.
- 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
- - 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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022209555.3A DE102022209555A1 (en) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | Method and control unit for controlling a mechatronic system |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022209555.3A DE102022209555A1 (en) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | Method and control unit for controlling a mechatronic system |
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DE102022209555.3A Pending DE102022209555A1 (en) | 2022-09-13 | 2022-09-13 | Method and control unit for controlling a mechatronic system |
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-
2022
- 2022-09-13 DE DE102022209555.3A patent/DE102022209555A1/en active Pending
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Beier, Thomas; Wurl, Petra: Regelungstechnik. München : Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2015. 236-250. - ISBN 978-3-446-44210-8. https://doi.org/10.3139/9783446443938.009 [abgerufen am 31.10.2023] |
Mercado-Uribe A, Moreno JA, Polyakov A, Efimov D. Multiple-input multiple-output homogeneous integral control design using the implicit Lyapunov function approach. Int J Robust Nonlinear Control. 2021;31:3417–3438.https://doi.org/10.1002/rnc.5474 |
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