DE19711156A1

DE19711156A1 - Adaptionsalgorithmus für einen Regler

Info

Publication number: DE19711156A1
Application number: DE1997111156
Authority: DE
Inventors: Heinrich Prof Dr Nikolaus
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-09-24
Also published as: WO1998041907A1

Description

2.1 Aufgabenstellung

Die Qualität einer Regelung hängt außer von den Anlagenbedingungen entscheidend von der Qualität der Meß-Signale ab. Diese sind in der Regel mit einem Rausch-Pegel behaftet, der

- die Grenze der Regelgenauigkeit
- die Größe der möglichen Regel-Verstärkung entscheidend beeinflußt.

Bei digitalen Regelsystemen kommt zum eigentlichen Rauschpegel der Meß-Werte noch der Quanten-Fehler der A/D-Wandlungs-Auflösung. Aufgabe dieser Erfindung ist es,

- durch eine adaptive Filtertechnik diesen Rausch-Einfluß zu reduzieren und damit die Regelgenauigkeit zu erhöhen,ohne daß dabei die Dynamik des Regelproßesses verschlechtert wird.
- durch Variation der Schrittweite dta des digitalen Regelprozesses den Einfluß des Signalrauschens auf die Qualität der Regelung weiter zu reduzieren
In den Patent-Anmeldungen
- P 196 04 534.7,
- P 196 06 176.8,
- P 196 15 760.9,
- P 196 40 728.1
- P 197 00 051.7
- PCT/DE97/00129
werden Vorschläge für Adaptions-Algorithmen digitaler Regelsysteme beschrie ben. Ausgehend von diesem Stand der Technik wird ein vom digitalen Regelalgorithmus selbst gesteuertes Filter entwickelt, dessen Filterwirkung
- bei großen Regelabweichungen abgeschaltet wird, das also bei großen Regelabweichungen unwirksam wird,
- innerhalb eines
- - von der Größe des Rauschpegels des Istwertes x, des Sollwertes W bzw. der Regel-Abweichung xw,
- - und von der Größe der Filterwirkung Fx des Filters,
abhängigen Wertes der Regelabweichung zugeschaltet wird.

2.2. Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels erklärt:
Es sei
x der Istwert des Regelkreises,
xw.k die aktuelle gemessene Regelabweichung,
xw.k-1 die im Vortakt definierte Regelabweichung,
xR der Rausch-Anteil des Meßwertes von x,
x +/- xR der Meßwert des Istwert-Signals,
W der Sollwert des Regelkreises,
W +/-wR der vom Rechner erfaßte Sollwert des Regelkreises,
Yr.k das aktuelle Regler-Stellsignal
dtar die Abtastzeit des Digital-Reglers
Dann gilt:

xw=(W+/-wR)-(x+/-xR)=(W-x)+/-(xR+wR)

d. h. die für die Regelung verwendete Regelabweichung ist durch die Summe der Rauschanteile von Soll- (wR) und Istwert (xR) "verseucht". Innerhalb dieses Rausch-Bandes ist eine Regelung nur mit Einsatz von die Dynamik vermindernden Signalfiltern möglich.

Es sei
Fxw ein Filter-Faktor mit 0 < Fxw < 1.

Dann stellt die Funktion

xw.k=Fxw.xw.k-1+(1-Fxw).xw.k (3.1)

ein Signalfilter erster Ordnung dar.

Mit dem Faktor Fxw wird bei konstantem Ist- (x) und Sollwert(w) der ursprüngliche
Rauschanteil um den Faktor reduziert:

xw.Rauschen0=(xR+wR) (3.2)

F.Rauschen=(1-Fxw)1(1+Fxw) (3.3)

xw.Rauschen1=(xR+wR).(1-Fxw)1(1+Fxw) (3.4)

Beispielsweise wird bei einem Filterfaktor von Fxw = 0.9 das ursprüngliche Rausch- Band von +/-(xR+wR) um den Faktor 19 verkleinert, die mögliche Auflösung des Reglers also entsprechend verbessert.

Mit
Fxw = 0 ist die Filterwirkung abgeschaltet (gute Dynamik, schlechte Regelgenauigkeit),
Fxw = 0.99 ist die Filterwirkung sehr hoch (schlechte Dynamik, gute Regelgenauigkeit).

Erfindungsgemäß wird nun der Faktor Fxw vom Adaptions-Algorithmus

Fxw=f(xw.k) (3.5)

derart gesteuert, daß

- bei großen Regelabweichungen xw.k die Dynamik optimal ist (Fxw = 0)
- bei kleinen Regelabweichungen xw.k die Regelgenauigkeit optimal ist (Fxw = 0.99).

Vereinfacht könnte gelten:

Fall 1: abs(xw.k) < (xR+wR)	Fxw = 0 (Rauschband unbeeinflußt)
Fall 2: abs(xw.k) <= (xR+wR)	Fxw = .9 (Rauschband um Faktor 19 verkleinert).

Da der Faktor Fxw wie beschrieben das xw-Rauschband beeinflußt kann die Steuerung durch nachfolgende Maßnahme weiter verbessert werden:

Fall 1: abs(xw.k) < (xR+wR)	Fxw = 0 (Rauschband unbeeinflußt)
Fall 2: abs(xw.k) <.50.(xR+wR).	Fxw = .5
Fall 3: abs(xw.k) <.25.(xR+wR)	Fxw = .75
Fall 4: abs(xw.k) <=.25.(xR+wR)	Fxw = .9

Selbstverständlich ist natürlich auch eine stetige Veränderung des Faktors Fxw gemäß Gleichung (3.5) möglich.

Ändert sich die Regelabweichng xw.k gegenüber der vorher erfaßten xw.k-1 nur in einer Größe, die innerhalb des Rauschbandes

+/-(xR+wR) bzw.
+/-w(xR.wR).(1-Fxw)/(1+Fxw)

liegt, oder liegt die Regel-Abweichung xw.k innerhalb eines der angegebenen Rausch-Bänder, dann besteht für den Regler kein Handlungsbedarf, bzw. der Regler kann im einen Falle nicht die Änderung der Regelabweichung dxw.k im anderen Falle nicht einmal die Größe der Regelabweichung xw.k erkennen. Dieser insbesondere bei kleinen Regelabweichungen

abs(xw.k) < (xR+wR).(Fxw-1)/(fxw+1) (3.6)

kritische Sachverhalt kann den Regler zu "unüberlegten Handlungen" verführen, d. h. das System kann durch Reaktionen des Reglers selbst destabilisiert werden. Dieser kritische Zustand kann ganz einfach dadurch behoben werden, daß dem Regler das Ändern des Reglerausgangs-Signals Yr.k solange untersagt wird, bis ein eindeutiger Trend der Istwert-Änderung abs(dxw/dta) der Anlage bzw. ein eindeutiger Wert für xw.k erkennbar ist. Ein eindeutiger Trend ist immer dann erkennbar, wenn die Änderung abs(dxw/dta) bzw. der Wert xw.k deutlich (d. h. um einen bestimmten Faktor < 1) über dem Wert xw.Rauschen0 (3.2) bzw. xw.Rauschen1 (3.4) liegt.

Dieser Trend kann zum Beispiel ganz einfach erfaßt werden, indem man genügend lange Zeit verstreichen läßt, bis die "Summe der Signal-Änderungen Je Meßtakt" (i.dta0) eine eindeutige Signal-Tendenz erkennen läßt, die genügend weit über dem Rauschpegel liegt.

Die Erfindung sieht folgerichtig vor, daß die Meßwert-Erfassungs-Schleife des Regelalgorithmus

- Soll- (W.k) und Istwert (x.k) der zu regelnden Strecke mit kleinstmöglichem Abtastzyklus dta0 erfaßt und die jeweilige Regelabweichung xw.k berechnet
- und den Regel-Algorithmus (=Veränderung der Stellgröße Y.k) nur dann aufruft, wenn
- - eine Notsituation eingetreten ist (z. B. Istwert x überschreitet seinen Grenzwert xmax, Anlage klemmt usw.),
- - schnelles Handeln erforderlich ist (Regelabweichung wächst abs(xw.k) < abs(xw.k-1) usw.),
- - die Regelabweichung xw.k deutlich über dem Rauschwert (Gl. 3.2, 3.4) liegt (abhängig vom Wert Fxw).

In allen anderen Fällen unterbleibt der Aufruf des Regelalgorithmus, d. h. der Regler bleibt abgeschaltet, der Stellwert Yr des Reglers bleibt konstant. Diese Methode ergibt

- einen Meß-Algorithmus mit konstanter Abtastzeit dta0
- einen Regelalgorithmus mit variabler Abtast-Zeit dtar = i.dtaO mit dem variablen Integer-Wert i=1 . . . (= Zahl der Meß-Intervalle bis zum nächsten Regler-Aufruf).

Es handelt sich also um einen Adaptions-Algorithmus für einen Regler

- mit adaptiv gesteuertem Rausch-Filter, das im Meß-Intervall dta0 arbeitet,
- mit variabler unter anderem auch vom Rauschverhalten des Ist- und Sollwertes und vom Rausch-Faktor (und natürlich auch von den Regler- und Strecken-Kennwerten) abhängiger Regler-Abtastzeit dtar=i.dta0, wobei der Integerwert i die Zahl der Meß-Intervalle bis zum nächsten Aufruf des Regel-Algorithmus darstellt.

Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Funktion dieses Algorithmus ist natürlich, daß die Regel-Parameter des Digital-Reglers von der Taktzeit dtar=i.dta0 unabhängig sind bzw. entsprechend korrigiert werden und/oder die Parameter des Reglers über einen zweiten Adaptions-Algorithmus fortlaufend angepaßt werden.

Um den Regelablauf zu harmonisieren und dazu noch Rechenzeit zu sparen, wird der beim Regleraufruf vorliegende Wert i0 des Intervall-Zählers in der Meß-Schleife gespeichert und der nächste Aufruf des Regel-Algorithmus nach der gleichen Intervallzahl i0 vorgesehen, (sofern zwischenzeitlich keine "Notsituation" eingetreten ist,) und dabei der Wert i0 inkrementiert, d. h. es wird "der Versuch" gestartet, die Taktzeit dtar des Reglers stetig zu vergrößern.

Wurde zwischenzeitlich in der Meß-Schleife eine Notsituation (Grenz-Istwert x.max ist überschritten, Anlage gerät außer Kontrolle usw.) festgestellt, dann wird.

- der Regelalgorithmus außerprogramm-mäßig aufgerufen,
- der ursprüngliche Intervall-Zählerwert i0 nicht verändert.

Beim Auftreten einer Sonder-Situation (z. B. Störung durch Störgröße Z, Änderung der Anlagen-Kennung usw.) wird

- der Regel-Algorithmus außerprogramm-mäßig aufgerufen,
- der Intervall-Zähler auf den neuen Intervall-Wert i1 umprogrammiert.

Claims

1. Adaptions-Algorithmus für einen Regler, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung xw.k durch ein Rauschfilter in der Meßwert-Erfassungs- Schleife gefiltert wird, dessen Filterfaktor (z. B. Fxw nach Gl. 3.1) abhängig vom Regel-Ergebnis (z. B. Regel-Abweichung xw) und Rauschpegel der Meßwerte verändert wird.

2. Adaptions-Algorithmus nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Filter-Konstante(n) abhängig vom Istwert x, vom Sollwert w, und/oder von der Regelabweichung xw insbesondere auch vom Signal-Rauschen der genannten Werte verändert wird(werden).

3. Adaptions-Algorithmus nach Anspruch 1 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß der Signalfilter nur solange zugeschaltet bleibt, wie die Regelabweichung xw innerhalb des Rauschbandes der Regelabweichung xw (Gl 3.2, 3.4) ggf. abhängig vom Filterfaktor sich befindet, ansonsten aber abgeschaltet bleibt.

4. Adaptions-Algorithmus für einen Regler dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert-Erfassungs-Teil des Reglers mit möglichst kleiner Taktzeit dta0 abläuft und der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife nur dann erfolgt, wenn eine Änderung des Regler-Stellwertes Yr erforderlich ist, d. h. wenn eine Änderung des Stellwertes Yr die Qualität der Regelung verbessert, in den übrigen Fällen der Regel-Algorithmus inaktiv geschaltet wird, d. h. die Regler-Stellgröße Yr konstant bleibt.

5. Adaptions-Algorithmus nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßtakte I0 zwischen zwei Regler-Aufrufen im Regel-Algorithmus durch einen Intervall-Zähler gespeichert werden.

6. Adaptions-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 4 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn eine Regelabweichung xw vorliegt, deren Absolut-Wert deutlich über dem Wert des Rauschbandes (Gl 3.2, 3.4) liegt, wobei dieses Rauschband durch die Wirkung des Filterfaktors Fxw des gesteuerten Filters erheblich eingeschränkt werden kann.

7. Adaptions-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 4 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn eine Notsituation wie z. B. Erreichen oder Überschreiten der Regelgrenze x.max vorliegt.

8. Adaptions-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 4 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß der Aufruf des Regelalgorithmus innerhalb dieser Meß-Schleife dann erfolgt, wenn offensichtlich eine Regel-Störung (wie z. B. Betrag der Regelabweichung xw nimmt zu oder: Betrag der Regelabweichung nimmt zu langsam ab usw.) vorliegt.

9. Adaptions-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 4 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß der Wert i0 des Intervallzählers nach dem Aufruf des Regelalgorithmus inkrementiert und gespeichert wird, und als Basis für den nächsten Regleraufruf verwendet wird, sofern der Aufruf nicht durch eine Not- oder Sondersituation schon früher erfolgt und damit möglicherweise ein neuer Wert für i0 definiert wird.

10. Adaptions-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufruf des Regelalgorithmus nach einer in der Meß-Schleife festgestellten Regel-Störung der Wert I0 des Intervallzählers durch den beim Störaufruf aktuellen Intervall-Wert i1 überschrieben wird.

11. Adaption-Algorithmus für einen Regler nach Anspruch 9 und folgenden dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufruf des Regel-Algorithmus nach einer in der Meß-Schleife festgestellten Not-Situation der Wert i0 des Intervallzählers nicht überschrieben wird.