DE19634923C2

DE19634923C2 - Linearization of nonlinear technical processes with the help of a deviation observer

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Publication number: DE19634923C2
Application number: DE19634923A
Authority: DE
Inventors: Bruce-Boye
Original assignee: BRUCE BOYE
Current assignee: BRUCE BOYE
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: DE19634923A1

Description

Linearisierung nichtlinearer technischer Prozesse mit Hilfe eines Abweichungsbeobachters.Linearization of nonlinear technical processes with the help of a deviation observer.

Grundsätzlich sind alle technischen Prozesse nichtlinear (Lehrbuch "Regelungstechnik für Ingenieure", 1991, Vieweg-Verlag, Seite 218). Bei schwach nichtlinearen Prozessen kann diese Eigenschaft einfach ignoriert werden, und man erzielt bei der Regelung dieser Prozesse, wie die Praxis zeigt, trotzdem zufriedenstellende Ergebnisse. Ist der technische Prozeß jedoch hochgradig nichtlinear (im folgenden auch als reales System bezeichnet), wie beispielsweise das Moment einer fremderregten Gleichstrommaschine im Feldschwächbereich (Lehrbuch, Dirk Schröder, "Elektrische Antriebe 2", 1995, Springer Verlag, Seiten 314 bis 333) oder Gleichstromhauptantriebe im Feldschwächbereich (Handbuch, H. Rentzsch, "Elektromotoren", 1992, ABB, Seiten 290 bis 291), oder das Bewegungsverhalten eines Mehrachsenroboters (Zeitschrift "Regelungstechnik", 28, 1980, E. Freund und H. Hoyer, Seiten 80-87 und 116-126), so wird bisher, durch eine Linearisierung um einen Arbeitspunkt, eine Lösung gesucht. Dieser Weg ist aufwendig und hat oft einen stark eingeschränkten Arbeitsbereich zur Folge. Will man trotzdem einen größeren Arbeitsbereich abdecken, so muß ein sogen. Kennfeld z. B. experimentell erstellt werden, in dem die geeigneten Reglerdaten für die jeweiligen Arbeitspunkte abgelegt sind. Hinzu kommen oft noch zusätzliche nichtlinearen Glieder und entsprechende Umschaltmechanismen, die dafür sorgen, daß im richtigen Augenblick die richtigen Reglerdaten zur Wirkung kommen (Lehrbuch, Dirk Schröder, "Elektrische Antriebe 2", 1995, Springer Verlag, Seiten 318 bis 333 und 368 bis 374). In vielen Fällen versagen diese Verfahren, wenn die Streckenparameter ungenau bekannt sind oder wenn sie sich während des Betriebes wesentlich ändern. Selbst der Einsatz sogen. Fuzzy-Regler (Fachbuch, Thomas Tilli, "Automatisierung mit Fuzzy-Logik", Franzis-Verlag, 1992, Seiten 223 bis 224) führt in diesem Fall zu einem explosionsartigen Anwachsen der benötigten Regeln, was einen hohen Realisierungsaufwand mit sich bringt (Zeitschrift "Automatisierungstechnik", 6, 1994, G. Ludyk, G-J. Menken, Seite 264).Basically, all technical processes are nonlinear (textbook "Control engineering for Ingenieure ", 1991, Vieweg-Verlag, page 218). This property can be used in weakly non-linear processes are simply ignored and, as practice shows, you can still achieve this by regulating these processes satisfying results. However, the technical process is highly non-linear (hereinafter also called real system), such as the moment of a separately excited DC machine in the Field weakening area (textbook, Dirk Schröder, "Electrical drives 2", 1995, Springer Verlag, pages 314 to 333) or direct current main drives in the field weakening range (Handbuch, H. Rentzsch, "Elektromotoren", 1992, ABB, pages 290 to 291), or the movement behavior of a multi-axis robot (magazine "Regelstechnik", 28, 1980, E. Freund and H. Hoyer, pages 80-87 and 116-126), so far has been, by a Linearization around a working point, a solution sought. This path is complex and often has a strong one restricted working area. If you still want to cover a larger work area, you have to a so-called Map z. B. experimentally created in which the appropriate controller data for each Working points are stored. In addition, there are often additional nonlinear terms and corresponding ones Switching mechanisms that ensure that the right controller data is effective at the right moment come (Textbook, Dirk Schröder, "Electrical drives 2", 1995, Springer Verlag, pages 318 to 333 and 368 to 374). In many cases, these methods fail if the route parameters are known inaccurately or if they change significantly during operation. Even the use of so-called Fuzzy controller (specialist book, Thomas Tilli, "Automation with Fuzzy Logic", Franzis-Verlag, 1992, pages 223 to 224) leads in this case an explosive increase in the required rules, which means a high level of implementation brings (magazine "Automation Technology", 6, 1994, G. Ludyk, G-J. Menken, page 264).

Das Verfahren gemäß der Druckschrift DD 50 897 setzt voraus, das die nichtlineare Funktion (siehe Fig. 2) eine statische Kennlinie ist und bekannt ist, um daraus die Entschlüsselungsmatrix festzulegen.The method according to the publication DD 50 897 assumes that the non-linear function (see FIG. 2) is a static characteristic curve and is known in order to determine the decryption matrix from it.

In der Druckschrift 195 31 692 A1 wird ein nichtlinearer Beobachter (neuronaler Beobachter) mit General Regression Neurat Networks benötigt um die Linearisierung durchzuführen. Gemäß Abb. 7 werden Multiplikationstellen z. B. zur Erzeugung von V1 aus n1 und r verwendet. Wie im Anspruch 2 angegeben, benötigt das Verfahren zudem Lernvorgänge.In document 195 31 692 A1, a nonlinear observer (neuronal observer) with general regression neurate networks is required to carry out the linearization. According to Fig. 7, multiplication points are e.g. B. used to generate V1 from n1 and r. As stated in claim 2, the method also requires learning processes.

In der Druckschrift 38 33 881 A1 werden Systemparameter V_i und i₀ in Form einer Parameterschätzung ermittelt. Ein Modell der nichtlinearen Strecke ist für die Problemlösung erforderlich. Weiterhin benötigt das Verfahren eine Initialisierungsphase (Seite 4, Zeile 9). Das Verfahren verstellt zudem die Reglerparameter (Regleranpassung Seite 3, Zeile 10-65, Fig. 3 Funktionsblöcke 16 und 18). Der in der Druckschrift 04 33 461 A1 vorgeschlagene Störgrößenbeobachter ist ebenfalls für nichtlineare Strecken geeignet, benötigt aber ein aufwendiges Verstellgesetz (Gain Adjusting Means, Gleichungen 4, 9 u. 10).System parameters V _i and i _{0 are determined} in the form of a parameter estimate in document 38 33 881 A1. A model of the non-linear path is required to solve the problem. The process also requires an initialization phase (page 4, line 9). The method also adjusts the controller parameters (controller adaptation page 3, lines 10-65, Fig. 3 function blocks 16 and 18 ). The disturbance variable observer proposed in publication 04 33 461 A1 is also suitable for non-linear paths, but requires a complex adjustment law (gain adjusting means, equations 4, 9 and 10).

Die Erfindung gemäß der Druckschrift DE 195 16 402 A1 stellt ein vollständig anderes Verfahren dar, was nicht beobachtergestützt arbeitet, sondern mit Hilfe von zwei Streckenmodellen eine sogen. nachgiebige Rückführung realisiert. Ziel ist es dabei, Strecken mit großen Totzeiten zu kontrollieren.The invention according to the publication DE 195 16 402 A1 represents a completely different method, what does not work with observer support, but with the help of two distance models a so-called compliant Repatriation realized. The aim is to control routes with long dead times.

Mit der Druckschrift DE 28 02 224 C2 kann für eine lineare Strecke (Drehzahlregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis) das Lastmoment m_L der Arbeitsmaschine rekonstruiert werden. Die hierfür vorgestellte Anordnung (Beobachter 12 und Verzögerungsglieder 11 in Fig. 1 u. Fig. 2) stellen ein relativ aufwendiges System 6. Ordnung dar. Es erfolgt zudem keine Linearisierung der Strecke.With document DE 28 02 224 C2, the load torque m _{L of} the working machine can be reconstructed for a linear section (speed control loop with a subordinate current control loop). The purpose presented arrangement (observer 12 and delay elements 11 in Fig. 1 u. Fig. 2) provide a relatively expensive system 6. Order. There is also no linearization of the route.

Dem im Patentanspruch 1 angegebenem Verfahren liegt das Problem zugrunde, eine große Zahl von Verfahren zur Linearisierung technischer Prozesse, die jeweils sehr komplizierte und aufwendige Einzellösungen darstellen, durch ein vereinfachtes Verfahren zu ersetzen.The method specified in claim 1 is based on the problem, a large number of Processes for the linearization of technical processes, each of which is a very complicated and complex individual solution represent to replace with a simplified procedure.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in claim 1.

Mit Hilfe des Abweichungsbeobachters 1 (siehe Bild 1) mit Abweichungsfilter 5 kann man einem realen System 2 ein dynamisches Verhalten in Form eines Modells 3 aufzwingen. Die Differenz 4 zwischen dem realen System und dem Modell wird als Fehler e(t) interpretiert und über das Abweichungsfilter 5, kompensierend 6, dem realen System aufgeschaltet. Es findet auf diese Weise eine Linearisierung statt. Eine übergeordnete Regelung 7 kann dann so entworfen werden, als wäre das reale System zusammen mit dem Abweichungsbeobachter linear. Der Abweichungsbeobachter wird aus analogen Bauelementen (Analogrechner) oder als Algorithmus in einem digitalen Rechner realisiert. Der Aufbau des Abweichungsbeobachters basiert auf dem Prinzip des Luenberger-Beobachters. Der Luenberger-Beobachter (Lehrbuch, Otto Föllinger, "Regelungstechnik", Hüthig Verlag, 1994, Seiten 501 bis 505) ist jedoch nur für lineare Systeme definiert. Ferner wird der Abweichungsbeobachter nicht aus einem exakten Prozeßmodell wie der Luenberger-Beobachter gebildet, sondern aus einem Modell. Im Gegensatz zum Luenberger-Beobachter werden hier auch keine Zustandsvariablen rekonstruiert, sondern Abweichungen zwischen dem realen System und dem im Abweichungsbeobachter innewohnenden Modell. Das Modell 3 sollte als Zustandsraummodell (Lehrbuch, H. Unbehauen, "Regelungstechnik II", 1993, Vieweg-Verlag), (Lehrtuch, E., Freund, "Regelungsysteme im Zustandsraum", 1987, Oldenbourg-Verlag, Seiten 25 bis 36) in Form von A = Systemmatrix, b = Eingangsvektor und c = Ausgangsvektor oder Meßvektor beschrieben werden. Es kann analytisch und/oder experimentell z. B. mit einer rechnergestützten Identifikationsoftware ermittelt werden. Für eine stabile Berechnung des Fehlers sorgen die Verstärkungfaktoren 8 in dem Beobachterverstärkungsvektor = h. Wie die Zeichnung weiterhin zeigt, werden dazu das reale System und der Abweichungsbeobachter parallel geschaltet; das heißt das reale System und der Abweichungsbeobachter (bzw. sein Eingangsvektor b) werden mit denselben Stellgrößen, was von einem übergeordneten gängigen Regler (PID-, Zustands-, Fuzzy-Regler, etc.) kommt, angeregt. Zur Ermittlung der Abweichung wird eine geeignete Meßgröße y des realen Systems z. B. das Moment auf der Motorwelle (mit Hilfe einer Momentenmeßwelle) mit der zugehörigen Ausgangsgröße des Modells verglichen, indem man bei 4 die Differenz (y - ) bildet. Diese Differenz wird über den h Vektor verstärkt und in das Modell zurückgekoppelt. Dort sorgt diese Rückkopplung, wie bereits erwähnt, zunächst für eine stabile Berechnung des Fehlers e(t). Dieser bleibende Fehler wird mit Hilfe des Abweichungsfilters 5 auf die Abweichungsgröße a(t) verstärkt und über die Summierstelle 6 dem realen System kompensierend aufgeschaltet. Das Abweichungsfilter p kann analytisch oder auch experimentell bestimmt werden (man beginnt mit sehr kleinen Werten von p und vergrößert diese schrittweise, bis sich zufriedenstellende Ergebnisse einstellen). Abweichungen zwischen realem System und dem Modelt werden auf diese Weise dynamisch eliminiert. Enthält das Modell beispielsweise nur die linearen Eigenschaften des realen Systems, dann findet durch dieses Verfahren eine Linearisierung des Gesamtsystems (reales System plus Abweichungsbeobachter) statt. Das Modell sollte dennoch die wichtigsten linearen Eigenschaften des nichtlinearen technischen Prozesses beschreiben. Zum Beispiel besitzen die translatorischen (Position x(t)) und rotatorischen (Winkel ϕ(t)) Bewegungen eines Manipulators oder Roboters jeweils doppeltes integrales Verhalten (sie werden durch das Newtonsche Gesetz F = m . a bzw. M = J . α, mit F = beschleunigende Kraft, m = Masse, a = Beschleunigung, M = beschleunigendes Moment, J = Trägheitsmoment und α = Winkelbeschleunigung beschrieben). Diese Systemeigenschaften sollen gemäß der obigen Gleichungen im Modell enthalten sein. Die nichtlinearen Eigenschaften des realen Systems wie Coriolis-Moment, Zentrifugalkraft und Reibung hingegen können bei der Erstellung des Modells entfallen. Somit besteht das Modell nur aus den linearen Systemeigenschaften, die mit dem oben erwähnten Newtonschen Gesetz hinreichend beschrieben sind. Auf diese Weise ist es möglich, die störenden nichtlinearen Effekte, die die Kontrolle der Bewegungsabläufe des technischen Prozesses Roboter erschweren, zu eliminieren. Die Entwurfsfreiheiten für das Modell gegenüber dem realen System dürfen jedoch nicht überzogen werden, da sonst das Verfahren wirkungslos bleibt. Eine Linearisierung des realen Systems kann nur wirkungsvoll durchgeführt werden, solange die Stellenergie (z. B. Stromrichter) nicht ihre Grenzen (z. B. Motorgrenzströme) erreicht hat. Im übergelagerten Regelkreis können dann sämtliche Regelungskonzepte (PID-, Zustands-, Fuzzy-Regler etc.) angewandt werden.With the aid of the deviation monitor 1 (see figure 1) with the deviation filter 5 , a dynamic behavior in the form of a model 3 can be imposed on a real system 2 . The difference 4 between the real system and the model is interpreted as error e (t) and applied to the real system via the deviation filter 5 , compensating 6. Linearization takes place in this way. A higher-level control 7 can then be designed as if the real system were linear together with the deviation observer. The deviation observer is implemented from analog components (analog computer) or as an algorithm in a digital computer. The structure of the deviation observer is based on the principle of the Luenberger observer. However, the Luenberger observer (textbook, Otto Föllinger, "Regelstechnik", Hüthig Verlag, 1994, pages 501 to 505) is only defined for linear systems. Furthermore, the deviation observer is not formed from an exact process model like the Luenberger observer, but from a model. In contrast to the Luenberger observer, no state variables are reconstructed here, but rather deviations between the real system and the model inherent in the deviation observer. Model 3 should be used as a model of state space (textbook, H. Unbehauen, "Regelstechnik II", 1993, Vieweg publishing house), (Lehrtuch, E., Freund, "control systems in state space", 1987, Oldenbourg publishing house, pages 25 to 36) in the form of A = system matrix, b = input vector and c = output vector or measurement vector. It can be analytical and / or experimental e.g. B. can be determined with computer-aided identification software. The gain factors 8 in the observer gain vector = h ensure a stable calculation of the error. As the drawing also shows, the real system and the deviation observer are connected in parallel; that is, the real system and the deviation observer (or its input vector b) are excited with the same manipulated variables, which comes from a higher-level common controller (PID, status, fuzzy controller, etc.). To determine the deviation, a suitable measured variable y of the real system is, for. B. compare the torque on the motor shaft (with the help of a torque measuring shaft) with the corresponding output variable of the model by forming the difference (y -) at 4. This difference is amplified via the h vector and fed back into the model. There, as already mentioned, this feedback initially ensures a stable calculation of the error e (t). This permanent error is amplified to the deviation quantity a (t) with the aid of the deviation filter 5 and applied to compensate the real system via the summing point 6 . The deviation filter p can be determined analytically or experimentally (one starts with very small values of p and increases them step by step until satisfactory results are obtained). Deviations between the real system and the model are dynamically eliminated in this way. If, for example, the model only contains the linear properties of the real system, then this method leads to a linearization of the overall system (real system plus deviation observer). The model should nevertheless describe the most important linear properties of the nonlinear technical process. For example, the translatory (position x (t)) and rotary (angle ϕ (t)) movements of a manipulator or robot each have double integral behavior (they are determined by Newton's law F = m. A and M = J. Α, described with F = accelerating force, m = mass, a = acceleration, M = accelerating moment, J = moment of inertia and α = angular acceleration). These system properties should be included in the model according to the equations above. The non-linear properties of the real system such as Coriolis moment, centrifugal force and friction, however, can be omitted when creating the model. The model thus only consists of the linear system properties, which are sufficiently described by Newton's law mentioned above. In this way, it is possible to eliminate the disruptive nonlinear effects that make it difficult to control the movements of the technical process robots. However, the design freedom for the model compared to the real system must not be exaggerated, otherwise the process will be ineffective. Linearization of the real system can only be carried out effectively as long as the actuating energy (e.g. converter) has not reached its limits (e.g. motor limit currents). All control concepts (PID, status, fuzzy controllers, etc.) can then be used in the higher-level control loop.

Das neue Verfahren arbeitet ohne Kennfeld und benötigt keine Umschaltmechanismen. Darüber hinaus ist es vom Ansatz her unempfindlich gegenüber ungenau bekannten Streckenparametern oder Veränderungen der Streckenparameter während des Betriebes. Der Realisierungsaufwand ist gering. Der Arbeitsbereich ist groß und wird lediglich durch die sinnvolle Begrenzung der Stellglieder (z. B. Stromrichter) eingeschränkt.The new process works without a map and does not require any switching mechanisms. Beyond that it is insensitive to imprecise known route parameters or changes in the approach Line parameters during operation. The implementation effort is low. The work area is large and is only restricted by the sensible limitation of the actuators (e.g. power converter).

Anwendungsbeispiele sind: Zugkraftregelung (überall dort, wo mit Gleichstrommaschinen über einen großen Drehzahlbereich eine konstante Zugkraft (bzw. Moment) eingehalten werden muß. Das Modell berechnet sich dann aus dem Motorverhalten im Ankerstellbereich (wo das Moment der Maschine weitestgehend konstant ist über die Drehzahl, wo demnach ein linearer Zusammenhang zwischen diesen Größten besteht). Denn im Feldschwächbereich ist die Gleichstrommaschine hinsichtlich des Momentes ein nichtlineares System. Konstante Zugkräfte werden z. B. auch in der papiererzeugenden Industrie beim automatischen Auf- und Abwickeln von Papierrollen benötigt oder in Walzwerken. Auch Kraftfahrzeugprüfstände müssen zur Simulation von Bergauf und Bergabfahrten über eine konstante Zugkraftregelung verfügen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist für die nichtlineare Entkopplung bei Mehrachsenrobotern oder NC-Maschinen zu nennen. Das Verfahren kann auch bei der aktiven Kompensation der elastischen Schwingungen beim Verfahren von Verladekränen (das Starrkörpermodell wird als Modell entworfen und die Elastizität ist als abweichendes Verhalten im realen Prozeß enthalten) verwendet wehen.Application examples are: Traction control (wherever with DC machines over a large Speed range, a constant tractive force (or torque) must be maintained. The model is calculated then from the motor behavior in the armature setting area (where the moment of the machine is largely constant about the speed, where there is a linear relationship between these largest). Because in Field weakening range, the DC machine is momentarily a non-linear system. Constant tensile forces are e.g. B. also in the paper-making industry with automatic opening and closing Unwinding of paper rolls required or in rolling mills. Motor vehicle test benches also need to be simulated have constant traction control from uphill and downhill. Another area of application is for non-linear decoupling in multi-axis robots or NC machines. The procedure can also in the active compensation of elastic vibrations when moving loading cranes (the Rigid body model is designed as a model and the elasticity is a deviating behavior in the real process included) used blowing.

Die prinzipielle Funktionsweise der Linearisierung mit Hilfe des Abweichungsbeobachters wird in dem Bild 1 dargestellt.The principle of operation of linearization using the deviation observer is shown in Figure 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is described in more detail below.

Application example Traction control of a vehicle chassis dynamometer operated with an externally excited DC machine becomes Basics

Fahrzeugrollenprüfstände werden für Untersuchungen an Kraftfahrzeugen verwendet. Um realistische Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, Versuche bei bestimmten Fahrsituationen durchzuführen.Vehicle roller test benches are used for tests on motor vehicles. To be realistic To get results, it is necessary to conduct tests in certain driving situations.

Fahrzeugrollenprüfstände, wie sie üblicherweise gebaut werden (z. B. Firma Zöllner), bestehen aus zwei Rollensätzen, auf die das Fahrzeug mit seinen antreibenden Rädern gestellt wird. Diese Rollen bilden die Straßenoberfläche nach. Sie werden von einer regelbaren Gleichstrommaschine angetrieben. Vehicle roller test benches, as they are usually built (e.g. Zöllner), consist of two Roller sets on which the vehicle with its driving wheels is placed. These roles form the Road surface after. They are driven by an adjustable DC machine.

Die Realisierung bestimmter Fahrsituationen erfolgt mit Hilfe verschiedener Regelungskonzepte. Eine Betriebsart des Rollenprüfstandes ist die Zugkraftregelung, die dazu dient, unterschiedliche Belastungen, die während einer Geradeausfahrt und/oder Bergauf und Bergabfahrt auf das Fahrzeuges wirken, nachzubilden.Certain driving situations are implemented using various control concepts. A Operating mode of the dynamometer is the traction control, which serves different loads to act on the vehicle during a straight ahead and / or uphill and downhill ride.

Definition des Begriffs "Zugkraft":Definition of the term "traction":

Bei der Geradeausfahrt wirken dem Fahrzeug Kräfte entgegen. Sie entstehen u. a. aus dem Fahrtwind, der quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt, aus der Massenträgheit des Autos bei einer Beschleunigungsänderung, aus der auftretenden Reibung zwischen Straßenoberfläche und dem Fahrzeugrad oder auch durch die Fahrbahnneigung.Forces counteract the vehicle when driving straight ahead. They arise u. a. from the headwind, the quadratic increases with the speed from the inertia of the car at one Acceleration change, from the friction occurring between the road surface and the vehicle wheel or also due to the slope of the road.

Diese Kräfte werden auf die drehenden Rollen des Prüfstandes übertragen und stellen dort eine rotatorische Bewegung dar. Die dabei an der Rollenoberfläche erzeugte Kraft wird als Zugkraft bezeichnet. Sie wirkt für die Antriebsräder des Autos als Gegenkraft und belastet das Fahrzeug mechanisch.These forces are transferred to the rotating rollers of the test bench, where they create a rotary one Movement represents. The force generated on the roller surface is referred to as tensile force. It works for them Drive wheels of the car as a counterforce and mechanically loads the vehicle.

Mit dem Bild 2 soll der Zusammenhang zwischen Kraft und Moment an einer Rolle erläutert werden. Figure 2 explains the relationship between force and moment on a roll.

Für das Drehmoment gilt die Definition:
The definition for torque applies:

M = F . r (2)
M = F. r (2)

mit:
M = Drehmoment in [Nm]
F = Kraft in [N]
r = Wirkabstand (Rollenradius) in [m]With:
M = torque in [Nm]
F = force in [N]
r = effective distance (roller radius) in [m]

Das Produkt aus Kraft F und Wirkabstand r heißt Drehmoment. Der Wirkabstand ist der senkrechte Abstand zwischen dem Drehpunkt (Achse) und der Wirkungslinie der Kraft F und entspricht dem Rollenradius.The product of force F and effective distance r is called torque. The effective distance is the vertical distance between the pivot point (axis) and the line of action of the force F and corresponds to the roller radius.

An der Achse der die Rollen antreibenden Gleichstrommaschine muß somit ein Drehmoment erzeugt werden. Aus diesem Grund wird für die Gleichstrommaschine eine Drehmomentregelung entworfen, die in der Praxis allgemein als Zugkraftregelung bezeichnet wird.A torque must therefore be generated on the axis of the DC machine driving the rollers. For this reason, a torque control is designed for the DC machine, which in practice is commonly referred to as traction control.

Die Entwicklung neuer Regelungskonzepte erfordert eine Erprobung am Rollenprüfstand. Eine reale Anlage steht hierfür allerdings nicht ständig zur Vertilgung. Deshalb werden die Regelungskonzepte an einer Modellanlage erprobt, die einem Fahrzeugrollenprüfstand im Maßstab 1 : 50 elektrisch nachgebildet ist, so daß eine Übertragung auf die reale Anlage gegeben ist.The development of new control concepts requires testing on the dynamometer. A real plant however, this is not always available for extinction. Therefore, the control concepts on one Tried model system that is electrically modeled on a vehicle chassis dynamometer in 1:50 scale, so that there is a transfer to the real system.

Description of the model system:

Die Modellanlage läßt sich in folgende Bereiche unterteilen:
The model system can be divided into the following areas:

- Mechanical construction
- Control and regulation of the machines
- Recording of measured values and processing

Mechanical construction:

Zunächst wird der mechanische Aufbau der Modellanlage anhand des Bildes 3 vorgestellt. Die Modellanlage ist aus zwei identischen Maschinensätzen aufgebaut, die auf Grundrahmen montiert und regelungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Jeder Maschinensatz bezieht sich auf ein antreibendes Fahrzeugrad.First, the mechanical structure of the model system is presented using Figure 3. The model system is made up of two identical machine sets, which are mounted on a base frame and are coupled to one another in terms of control technology. Each machine set refers to a driving vehicle wheel.

The composition of a strand is explained below:

Die Belastung des Fahrzeuges durch die Rollen des Fahrzeugrollenprüfstandes wird an der Modellanlage durch eine fremderregte Gleichstrommaschine (1 kW Nennleistung) elektrisch nachgebildet.The load on the vehicle from the rollers of the vehicle roller test bench is shown on the model system electrically simulated by an externally excited DC machine (1 kW nominal power).

Mit einer Asynchronmaschine (3 KW Nennleistung) läßt sich das Fahrzeug, das auf dem Prüfstand steht, elektrisch simulieren. Beide Maschinen sind über Wellen und Kupplungen mechanisch gekoppelt und können somit aufeinander einwirken.With an asynchronous machine (3 KW nominal power), the vehicle that is on the test bench can simulate electrically. Both machines are mechanically coupled via shafts and couplings and can thus interacting.

Zwischen den Maschinen befindet sich ein Schwungmassensatz, der der mechanischen Nachbildung der Fahrzeugmasse dient und in verschiedenen Abstufungen (1 : 2 : 4) variierbar ist. Diese Schwungmasse ist für das auf dem Prüfstand feststehende Fahrzeug erforderlich; da sich durch seine Masse aber bei einer Beschleunigungsänderung eine Trägheit ergibt, ist diese auf den Prüfstand zu übertragen.There is a flywheel mass set between the machines, which is the mechanical replica of the Vehicle mass is used and can be varied in different levels (1: 2: 4). This flywheel is for the vehicle stationary on the test bench is required; because by its mass but with one If there is an inertia in the change in acceleration, this must be transferred to the test bench.

Die Zugkraft wird über eine Drehmomentmeßwelle gemessen die sich zwischen dem Schwungmassensatz und der Gleichstrommaschine befindet. Sie ist freischwebend zwischen zwei Kupplungsflanschen aufgehängt.The tensile force is measured via a torque measuring shaft which is between the flywheel mass set and the DC machine is located. It is suspended freely between two coupling flanges.

Diese Meßwelle wird während des Betriebes auf Torsion beansprucht. Dabei ist der auftretende Torsionswinkel proportional zum Drehmoment. Die Drehmomentmeßwelle ist mit Dehnungsmeßstreifen und einer Auswertelektronik ausgerüstet. Eine Torsionsbeanspruchung der Meßwelle hat eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen zur Folge. Mit Hilfe der Auswertelektronik wird ein analoger Spannungswert als Meßgröße erzeugt, der proportional zum Drehmoment ist. This measuring shaft is subjected to torsion during operation. Here is the one that occurs Torsion angle proportional to the torque. The torque measuring shaft is with strain gauges and equipped with evaluation electronics. A torsional load on the measuring shaft has a change in resistance the strain gauge. With the help of the evaluation electronics, an analog voltage value is given as Generated measured variable that is proportional to the torque.

Die verwendeten Meßwellen haben eine maximalen Meßbereich von ±20 Nm, welches einem Spannungswert von ±10 V entspricht. Ihr Meßfehler beträgt ±0.2% vom Endwert und wird durch Nichtlinearität und Hysterese hervorgerufen. Dieser Wert entspricht einem absoluten Fehler von M = 0,04 Nm.The measuring shafts used have a maximum measuring range of ± 20 Nm, which is a voltage value of ± 10 V. Your measurement error is ± 0.2% of the final value and is due to non-linearity and hysteresis evoked. This value corresponds to an absolute error of M = 0.04 Nm.

Der Meßbereich der Drehmomentmeßwelle ist allerdings an der Modellanlage auf M = ±5 Nm begrenzt worden, da während des Betriebes durch Resonanzschwingungen Zugkräfte auftreten, die ein Vielfaches des Nennmomentes der Modellanlage (M_n = 4,233 Nm) betragen können.The measuring range of the torque measuring shaft on the model system has been limited to M = ± 5 Nm, because during operation tensile forces occur due to resonance vibrations, which can be a multiple of the nominal torque of the model system (M _n = 4.233 Nm).

Der sich an der Asynchronmaschine befindliche Inkrementalgeber mit einer Auflösung von 4096 Impulsen/Umdrehung dient dazu, ändere für die Regelung erforderliche Meßgrößen wie Drehzahlen, Beschleunigungen oder den Phasenwinkel der Maschinensätze zueinander zu ermitteln.The incremental encoder on the asynchronous machine with a resolution of 4096 Pulse / revolution is used to change the measurement variables required for control, such as speeds, To determine accelerations or the phase angle of the machine sets to each other.

Der vollständige Signalverlauf der Modellanlage ist in Bild 4 dargestellt.The complete signal curve of the model system is shown in Figure 4.

Control and regulation of the machines:

Die Ansteuerung der Maschinen in Bild 4 erfolgt über Stromrichter mit Feldspeisegerät bzw. über einen Frequenzumrichter.The machines in Figure 4 are controlled via converters with field supply devices or via a frequency converter.

Die zwei fremderregten Gleichstrommaschinen werden jeweils durch einen Stromrichter der Firma Siemens (Simoreg K 6RA23) gespeist. Der Betrieb im Feldschwächbereich wird mit Hilfe der Feldwicklung realisiert, die über ein separates Feldspeisegerät (Minireg F10) versorgt wird.The two separately excited DC machines are each powered by a Siemens converter (Simoreg K 6RA23). Operation in the field weakening area is realized with the help of the field winding, the is supplied via a separate field supply device (Minireg F10).

Die Ansteuerung der beiden Asynchronmaschinen erfolgt über Frequenzumrichter der Firma AEG (Mikrokonverter MV 7,6) wobei die Maschinen sowohl drehzahl- als auch drehmomentgeregelt betrieben werden können.The two asynchronous machines are controlled by frequency converters from AEG (Micro converter MV 7.6) where the machines are operated with both speed and torque control can.

Die Regelung der Maschinen wird mit Hilfe der Software Matlab/Simulink durchgeführt. Eine Echtzeiterweiterung übernimmt die Verbindung zur Modellanlage. Die Gleichstrommaschine wird über einen Rollenregelrechner, die Asynchronmaschine über einen Signalprozessor angesprochen.The machines are controlled using the Matlab / Simulink software. A Real-time expansion takes over the connection to the model system. The DC machine is powered by a Role control computer, the asynchronous machine addressed via a signal processor.

Determination of measured values:

Die Messung des auftretenden Drehmoments am Maschinenstrang übernimmt die Momentenmeßwelle, die sich zwischen der Gleichstrommaschine und dem Schwingmassensatz befindet.The measurement of the torque occurring on the machine train is done by the torque measuring shaft is located between the DC machine and the vibrating mass set.

Alle anderen für die unterschiedlichen Regelkonzepte erforderlichen Größen, wie Drehzahl, Beschleunigung und Phasenwinkel der beiden Maschinensätze zueinander, werden aus den Inkrementen zweier Inkrementalgeber, die sich jeweils an der Asynchronmaschine eines Maschinensatzes befinden, ermittelt. Die Auswertung der Inkrementalgebersignale übernimmt eine Meßbox mit Microkontroller. Zunächst erfolgt die Übertragung der Inkrementalgebersignale zur Vorverarbeitung an die Meßbox. Anschließend wenden die daraus resultierenden Informationen seriell über eine RS 232-Schnittstelle an den Rollenregelrechner (Prozeßrechner) mit intelligenter Einsteckkarte (PC Modul 537) bzw. an den Signalprozessor mit einer seriellen Karte (DS 4201) zur Weiterverarbeitung übergeben. Hier berechnet man die Drehzahlen, Beschleunigungen und Phasenwinkel aus den jeweiligen von der Meßbox zur Verfügung gestellten Datensätzen.All other quantities required for the different control concepts, such as speed, acceleration and phase angle of the two machine sets to each other, are the increments of two Incremental encoders, which are each located on the asynchronous machine of a machine set, are determined. The A measuring box with a microcontroller evaluates the incremental encoder signals. First, the Transfer of the incremental encoder signals to the measuring box for preprocessing. Then turn it off resulting information serially via an RS 232 interface to the roller control computer (process computer) with intelligent plug-in card (PC module 537) or to the signal processor with a serial card (DS 4201) handed over for further processing. Here you can calculate the speeds, accelerations and phase angles from the respective data sets provided by the measuring box.

Regulation requirements

Die Zugkraftregelung eines Prüfstandes unterliegt bestimmten Anforderungen. Diese Forderungen werden u. a. von der amerikanischen Umweltbehörde EPA (Enviromental Protection Agency) aufgestellt.The traction control of a test bench is subject to certain requirements. These demands are u. a. created by the American Environmental Protection Agency (EPA).

Weitere Anforderungen, wie hohe Ansprüche an die Genauigkeit der Regelung, erheben die Anwender der Prüfstände (z. B. Daimler Chrysler AG, Volkwagen AG).The users of the. Make further demands, such as high demands on the accuracy of the control Test benches (e.g. Daimler Chrysler AG, Volkwagen AG).

Die Forderung der EPA lautet:
The EPA demands:

- The actual value must have reached 90% of the setpoint within 100 ms (rise time).

Zur Bestimmung der Genauigkeit einer Regelung wird in der Regelungstechnik ein Toleranzband verwendet. Seine Breite steht im engen Bezug zur Anregelzeit. Da die Anregelzeit nach EPA auf 100 ms festgelegt ist, läßt sich zunächst ein Toleranzband von ±10% ableiten. Die Forderungen der Anwender gehen aber für die Genauigkeit mit einem Toleranzband von weniger als ±1% weit über die EPA-Spezifikation hinaus.A tolerance band is used in control engineering to determine the accuracy of a control. Its width is closely related to the rise time. Since the rise time is set to 100 ms according to EPA, let a tolerance band of ± 10% is derived. The demands of the users go for the Accuracy with a tolerance band of less than ± 1% far beyond the EPA specification.

Um allen Forderungen gerecht zu werden, wurden bei der Entwicklung der unterschiedlichen Konzepte zwei weitere Anforderungen an die Zugkraftregelung gestellt.In order to meet all requirements, two different concepts were developed additional requirements are placed on the traction control.

Control structure for the tensile force without deviation observer according to Figure 5 Examination of the control device:

Es folgt die Aufzeichnung des Momentenverlaufes der zugkraftgeregelt betrieben Gleichstrommaschine mit einer herkömmlichen Drehmomentregeleinrichtung (PI-Regler).This is followed by the recording of the torque curve of the DC machine operated with traction a conventional torque control device (PI controller).

In dem Bild 6 wird die Gleichstrommaschine mit einer konstanten Sollvorgabe sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich betrieben.In Figure 6, the DC machine is operated with a constant setpoint both in the armature setting area and in the field weakening area.

Es ist der Momentenverlauf in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Der Übergang in den Feldschwächbereich erfolgt nach einer Zeit von etwa 9 Sekunden. Im Momentenverlauf kann man von diesem Zeitpunkt an eine bleibende Regelabweichung zwischen Ist- und Sollwert erkennen. Sie wird durch den nichtlinearen Drehmomentabfall der Gleichstrommaschine im Feldschwächbereich hervorgerufen.The torque curve as a function of time is shown. The transition to Field weakening range occurs after a time of about 9 seconds. In the course of the moment one can of this Recognize when there is a permanent deviation between the actual and setpoint. It is through the non-linear torque drop of the DC machine in the field weakening range.

Traction control of a dynamometer with a deviation observer

Die Struktur der gesamten Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter ist in Bild 7 dargestellt.The structure of the entire traction control with deviation observer is shown in Figure 7.

Der unterlagerte Regelkreis beinhaltet einen Abweichungsbeobachter, der die Aufgabe hat, störende Einflüsse zu erfassen und diese durch Aufschalten auf den Streckeneingang des realen Systems zu beseitigen. Damit soll ein gleichbleibend gutes Regelverhalten sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich der Gleichstrommaschine erzielt werden. Die überlagerte Drehmomentregeleinrichtung kann dann für ein lineares, störungsfreies System ausgelegt werden.The subordinate control loop contains a deviation observer, which has the task of interfering influences to detect and eliminate them by connecting to the track input of the real system. With that a consistently good control behavior both in the anchor setting area and in the field weakening area of the DC machine can be achieved. The superimposed torque control device can then be used for a linear, interference-free system.

Die Bestimmung der Parameter des Abweichungsbeobachters ist folgendermaßen vorgenommen worden:
The parameters of the deviation observer were determined as follows:

1. A computer-aided system identification was first carried out for the state space model, to determine the model of the dynamometer in the frequency domain.
2. Under Matlab (software package), you could then use the "Control Tool Box" via an "m-file" the parameters for the deviation observer are determined.
3. A suitable position of the eigenvalues has been determined experimentally to ensure good control behavior Achieve with regard to transient response and stationary accuracy of the traction control

Es wurde das konjugiert-komplexe Eigenwertpaar BE_1/2 = -43 ± j14 gewählt.The complex conjugate eigenvalue pair BE _1/2 = -43 ± j14 was chosen.

Mit dem oben gewählten Eigenwertpaar ergaben sich für den Beobachtungsvektor h und das Abweichungsfilter p (siehe Gleichung (1)) folgende Werte:
With the eigenvalue pair selected above, the following values were obtained for the observation vector h and the deviation filter p (see equation (1)):

Traction control in the entire operating area

In dem Bild 8 ist der Drehmomentverlauf bei Anregung mit einem konstanten Sollwertsprung auf M_soll = 3 Nm über der Zeit dargestellt; zusätzlich ist der Abweichungsverlauf a(t) am Ausgang des Abweichungsbeobachters abgebildet. Die Gleichstrommaschine wird sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich zugkraftgeregelt betrieben.In the Figure 8, the torque curve is when excited by a constant setpoint step change to M = 3 _to Nm shown over time; in addition, the course of the deviation a (t) is shown at the exit of the deviation observer. The DC machine is operated both in the armature setting area and in the field weakening area with traction control.

Der Betriebsbereich erstreckt sich in diesem Fall auch auf den Feldschwächbereich, wo der Drehmomentverlauf der Gleichstrommaschine ein nichtlineares Verhalten, hervorgerufen durch die Verringerung des Maschinenflusses Φ, aufweist. Der vorgegebene Sollwert wird im gesamten Betriebsbereich eingehalten. Der Momentenverlauf der Gleichstrommaschine ist qualitativ im Profil der Abweichungsgröße a(t) wiederzufinden.The operating range in this case also extends to the field weakening range, where the Torque curve of the DC machine a non-linear behavior, caused by the reduction of the machine flow Φ. The specified setpoint is maintained across the entire operating range. The torque curve of the DC machine is qualitative in the profile of the deviation variable a (t) to find again.

Die Wirkung des Abweichungsbeobachters wird besonders im Feldschwächbereich deutlich. Die Nichtlinearität des Momentenverlaufs wird hier als zusätzliche Regelstellgröße kompensierend aufgeschaltet, so daß der vorgegebene Sollwert ohne bleibende Regelabweichung im gesamten Betriebsbereich vom Momentenistwert des realen Systems eingehalten wird.The effect of the deviation observer is particularly evident in the field weakening area. The non-linearity of the torque curve is applied here as an additional control manipulated variable, so that the Specified setpoint without permanent control deviation in the entire operating range from the actual torque value of the real system is observed.

Es zeigenShow it

Bild 1 Prinzip des Abweichungsbeobachters Fig. 1 Principle of the deviation observer

Bild 2 Definition der Zugkraft Fig. 2 Definition of traction

Bild 3 Prinzipieller Aufbau der Modellanlage Fig. 3 Basic structure of the model system

Bild 4 Vollständiger Signalflußplan der Modellanlage Fig. 4 Complete signal flow diagram of the model system

Bild 5 Zugkraftregelungs-Struktur ohne Abweichungsbeobachter Figure 5 Tension control structure without deviation observer

Bild 6 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung ohne Abweichnungsbeobachter Fig. 6 Torque profile of the traction control without deviation observer

Bild 7 Zugkraftregelungs-Struktur mit Abweichungsbeobachter Figure 7 Traction control structure with deviation observer

Bild 8 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter Figure 8 Torque profile of the traction control with deviation observer

Claims

Method for regulating non-linear technical processes by linearization with a deviation observer, in particular for regulating the tensile force of externally excited DC machines in the field weakening range,
the deviation observer is connected in parallel to the nonlinear technical process,
wherein the deviation observer contains a model that describes only the linear parts of the overall technical process exhibiting non-linear behavior,
the difference between the controlled variable, which forms the output signal of the nonlinear technical process representing the controlled system, and the output signal of the model
and this difference signal (e (t)) representing an error signal is fed back into the model on the one hand and amplified by means of a deviation filter (p) on the other hand,
wherein this error signal thus formed is applied to the manipulated variable of the controller and
the output signal (a (t)) of the deviation filter is calculated according to the following formula:
a (t) = pe (t), whereby the deviation filter (p) can be determined both analytically and experimentally.