DE19830156A1 - Method and arrangement for determining a controlled variable of a technical system, which is described with a given model description in a given room - Google Patents
Method and arrangement for determining a controlled variable of a technical system, which is described with a given model description in a given roomInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die rechnergestützte Bestimmung einer Regelgröße eines technischen Systems, welches mit einer vor gegebenen Modellbeschreibung in einem vorgegebenen Raum be schrieben wird.The invention relates to the computer-based determination of a Control variable of a technical system, which with a given model description in a given space is written.
Es ist aus [1, 2, 3] bekannt, zur Beschreibung eines Systems
eines Verkehrsflusses ein kontinuierliches Modell zu verwen
den. Zur Beschreibung eines Zustandes des Systems werden fol
gende Zustandsgrößen verwendet:
It is known from [1, 2, 3] to use a continuous model to describe a system of a traffic flow. The following state variables are used to describe a state of the system:
- - Verkehrsflußgeschwindigkeit v- Traffic flow speed v
- - Fahrzeugdichte ρ (ρ = Anzahl von Fahrzeugen Fz/km)- Vehicle density ρ (ρ = number of vehicles Fz / km)
- - Verkehrsfluß q (q = Anzahl der Fahrzeuge Fz/h], q = v.ρ).- Traffic flow q (q = number of vehicles Fz / h], q = v.ρ).
Ferner ist ein Mittel, beispielsweise eine in eine Fahrbahn eingearbeitete Leiterschleife, die mit einem Zähler und einer Auswerteeinheit gekoppelt ist, bekannt, mit dem die Zustands größen (v, ρ, q) des Systems des Verkehrsflusses gemessen werden können.There is also a means, for example one in a roadway incorporated conductor loop with a counter and a Evaluation unit is known, with which the state quantities (v, ρ, q) of the system of traffic flow measured can be.
Das aus [1, 2, 3] bekannte Modell beschreibt ausgehend von einem statischen Zusammenhang zwischen einer Gleichgewichts geschwindigkeit Veq des Verkehrsflusses (Veq = statische Ver kehrsflußgeschwindigkeit in einem stationären Zustand des Verkehrsflusses) und der Fahrzeugdichte ρ den Verkehrsfluß in einem Gleichgewichtszustand.The model known from [1, 2, 3] describes, starting from a static relationship between an equilibrium speed V eq of the traffic flow (V eq = static traffic flow speed in a stationary state of the traffic flow) and the vehicle density ρ, the traffic flow in an equilibrium state.
Es gilt folgender Zusammenhang:
The following relationship applies:
mit:
With:
wi bzw. ρi: frei wählbare Abbildungsparameter
li bzw. mi: frei wählbare Abbildungsparameter
i: Laufvariable
Veq bzw. ρ: Gleichgewichtsgeschwindigkeit bzw.
Fahrzeugdichte.w i or ρ i : freely selectable mapping parameters
l i or m i : freely selectable imaging parameters
i: run variable
V eq or ρ: equilibrium speed or vehicle density.
Ferner ist aus [1, 2, 3] bekannt, daß sowohl die Vehrkehrs flußgeschwindigkeit v als auch die Fahrzeugdichte ρ abhängig von einem Ort x und von einer Zeit t entsprechend dem Zusam menhang v = v(x, t) bzw. ρ = ρ (x, t) [x: Ortsvariable, t : Zeitvariable] variieren.It is also known from [1, 2, 3] that both the traffic flow velocity v and the vehicle density ρ depend from a location x and from a time t corresponding to the together menhang v = v (x, t) or ρ = ρ (x, t) [x: location variable, t : Time variable] vary.
Zur Beschreibung dieser Dynamik wird das Modell durch eine Kontinuitätsgleichung (Gleichung 2) und eine Beschleunigungs gleichung (Gleichung 3) erweitert.The model is described by a Continuity equation (equation 2) and an acceleration equation (equation 3) expanded.
Die Kontinuitätsgleichung (Gleichung 2), entsprechend der Be
ziehung
The continuity equation (Equation 2), according to the relationship
mit:
q : Verkehrsfluß
d/dt bzw. d/dx : eine partielle Ableitung nach der Zeit t
bzw. nach dem Ort x
beschreibt die Dynamik des Verkehrsflusses unter der Bedin
gung, daß der Verkehrsfluß einen kontinuierlichen Fluß ohne
einen Zu- und Abgang eines Fahrzeugs aus dem System aufweist.With:
q: traffic flow
d / dt or d / dx: a partial derivative according to time t or location x
describes the dynamics of the traffic flow under the condition that the traffic flow has a continuous flow without an entry and exit of a vehicle from the system.
Die Beschleunigungsgleichung (Gleichung 3) beschreibt die Dy
namik des Verkehrsflusses außerhalb des durch die statische
Gleichgewichtsgeschwindigkeit gemäß Gleichung 1 gegebenen
Gleichgewichtszustand durch folgenden Zusammenhang:
The acceleration equation (equation 3) describes the dynamics of the traffic flow outside the equilibrium state given by the static equilibrium speed according to equation 1 by the following relationship:
mit:
τ: Relaxationszeit
c0 2: Geschwindigkeitsvarianz
η0: Viskositätskonstante
d/dt, d/dx, d2/dx2: eine partielle Ableitung nach der
Zeit t bzw. eine partielle erste
und eine partielle zweite
Ableitung nach dem Ort x.With:
τ: relaxation time
c 0 2 : speed variance
η 0 : viscosity constant
d / dt, d / dx, d 2 / dx 2 : a partial derivative after the time t or a partial first and a partial second derivative after the location x.
Ausgehend von der Beschreibung des Verkehrsflusses durch ein solches Modell, liefert eine Stabilititätsanalyse des Modells charakteristische Eigenschaften des durch das Modell be schriebenen Verkehrsflusses.Based on the description of the flow of traffic through a such a model provides a stability analysis of the model characteristic properties of the be written traffic flow.
Eine lokale Stabilititätsanalyse des oben dargestellten Mo dells durch Linearisierung um einen stationären Arbeitspunkt (v0, ρ0) zeigt, daß der ungeregelte Verkehrsfluß gemäß dem Modell für eine Fahrzeugdichte ρ in einem Bereich [ca. 20 Fz/km - ca. 50 Fz/km] ein instabiles Verhalten aufweist. Eine Störung des Verkehrsflusses vergrößert sich und führt zu ei ner in realen Verkehrssituation zu beobachtenden Zuständen, wie beispielsweise einem plötzlich auftretenden Stillstand des Verkehrsflusses (Stau) oder einer "Stop-And-Go-Welle".A local stability analysis of the model shown above by linearization around a stationary working point (v 0 , ρ 0 ) shows that the unregulated traffic flow according to the model for a vehicle density ρ in a range [approx. 20 vehicles / km - approx. 50 vehicles / km] exhibits unstable behavior. A disturbance in the flow of traffic increases and leads to conditions which can be observed in real traffic situations, such as a sudden standstill of the flow of traffic (traffic jam) or a "stop-and-go wave".
Im Bereich der Fahrzeugdichte ρ [ρ < 20 Fz/km] und im Bereich der Fahrzeugdichte ρ [ρ < 50 Fz/km] weist das System ein sta biles Verhalten auf.In the area of the vehicle density ρ [ρ <20 Fz / km] and in the area the system has a sta of the vehicle density ρ [ρ <50 Fz / km] bile behavior.
Es werden folgende Bereiche unterschieden:
ρ < 20 Fz/km : geringer Verkehr, hohe Geschwindigkeit,
stabiles Verhalten
20 Fz/km < ρ < 50 Fz/km : instabiles Verhalten, kleine Stö
rungen schaukeln sich auf
ρ < 50 Fz/km : hohes Verkehrsaufkommen, zähfließender Ver
kehr oder Stau, stabiles Verhalten.A distinction is made between the following areas:
ρ <20 vehicles / km: low traffic, high speed, stable behavior
20 vehicles / km <ρ <50 vehicles / km: unstable behavior, small disturbances rock up
ρ <50 vehicles / km: high volume of traffic, slow-moving traffic or traffic jams, stable behavior.
Ferner ist bekannt, eine Methode der Regelungstechnik auf ein Verkehrsflußmodell anzuwenden, um so einen geregelten und stabilen Verkehrsfluß im gesamten Zustandsraums des Verkehrs flusses zu gewährleisten.It is also known to use a method of control engineering Traffic flow model to apply a regulated and stable traffic flow in the entire state area of traffic to ensure flow.
Aus [4] ist bekannt, eine Regelung durch eine lineare Zu standsrückführung zu realisieren. Damit läßt sich der Ver kehrsfluß in einem Zustand, in dem der Verkehrsfluß ein in stabiles Verhalten aufweist, stabilisieren und ein homogener Fluß des Verkehrs wird gewährleistet.From [4] it is known to regulate by a linear zu realizing status feedback. So the Ver traffic flow in a state in which the traffic flow is an in exhibits stable behavior, stabilize and a homogeneous Flow of traffic is ensured.
Der lineare Ansatz aus [4] weist aber verschiedene Nachteile auf. So ist eine Stabilisierung des Verkehrsflusses nur für eine kleine Störung des Verkehrsflusses bzw. nur in einem kleinen Bereich (Δv, Δρ) des Zustandsraums (v, ρ, q) um den Arbeitspunkt (v0, ρ0) der Linearisierung möglich. Des weite ren liefert die Regelung durch eine lineare Zustandszurück führung eine Regelgröße, die aufgrund der Größe ihres Wertes nicht auf den realen Verkehrsfluß angewandt werden kann.However, the linear approach from [4] has several disadvantages. Stabilization of the traffic flow is only possible for a small disturbance of the traffic flow or only in a small area (Δv, Δρ) of the state space (v, ρ, q) around the working point (v 0 , ρ 0 ) of the linearization. Furthermore, the regulation provides a controlled variable through a linear state feedback, which cannot be applied to the real traffic flow due to the size of its value.
Aus [5] sind verschiedene Verfahren der nichtlinearen Rege lungstechnik bekannt. Ferner ist in [5] dargestellt, daß auf grund seiner Robustheit hinsichtlich einer Störung zur Rege lung eines nichtlinearen Systems ein strukturvariabler Regler eingesetzt wird. Zur Bestimmung der Parameter des strukturva riablen Reglers wird in [5] die Methode der äquivalenten Re gelung verwendet.Various methods of non-linear control are from [5] lung technology known. It is also shown in [5] that on due to its robustness with regard to a fault a structurally variable controller is used. To determine the parameters of the structure riablen controller in [5] the method of equivalent Re gelation used.
Ferner ist bekannt, daß zur Regelung des realen Verkehrsflus ses ein geregeltes Verkehrsflußmodell eingesetzt werden kann. Dazu werden Zustandsgrößen einer realen Verkehrssituation ge messen. Diese Zustandsgrößen werden an das Regelsystem ange legt, wobei das Regelsystem eine Regelgröße, wie beispiels weise die Vehrkehrsflußgeschwindigkeit vsoll, bestimmt. Unter Verwendung eines Anzeigemittels, wie zum Beispiel eines Wech selverkehrszeichens eines Verkehrsleitsystems, wird dem Ver kehrsfluß diese Regelgröße, entsprechend obigem Beispiel eine Sollgeschwindigkeit, vorgegeben.It is also known that a regulated traffic flow model can be used to control the real traffic flow. State variables of a real traffic situation are measured for this purpose. These state variables are applied to the control system, the control system determining a controlled variable, such as the traffic flow velocity v , for example. Using a display means, such as an alternating traffic sign of a traffic control system, this controlled variable is given to the traffic flow, in accordance with the example above, a target speed.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein rechnergestütz tes Verfahren zur Bestimmung einer Regelgröße eines techni schen Systems anzugeben, bei dem durch das geregelte techni sche System das technische System stabilisiert wird und bei dem die Regelgröße auf das technische System anwendbar ist.The invention is based on the problem of a computer-aided method for determining a controlled variable of a technical to specify the system in which the regulated technical cal system the technical system is stabilized and at which the controlled variable is applicable to the technical system.
Das Problem wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Anordnung gemäß Patentanspruch 13 gelöst.The problem is solved by the method according to claim 1 and solved by the arrangement according to claim 13.
Bei dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 wird eine Regelgröße eines technischen Systems, welches mit einer vorgegebenen Mo dellbeschreibung in einem vorgegebenen Raum beschrieben wird, bestimmt. Dazu wird die Modellbeschreibung in einen Unterraum des Raums transformiert. In diesem Unterraum wird aus der transformierten Modellbeschreibung unter Verwendung eines nichtlinearen Reglermodells eine Reglermodellbeschreibung be stimmt. Diese Reglermodellbeschreibung wird in den ursprüng lichen Raum der Modellbeschreibung zurücktransformiert. Unter Verwendung der rücktransformierten Reglermodellbeschreibung wird die Regelgröße ermittelt.In the method according to claim 1, a controlled variable a technical system, which with a given Mo dell description is described in a given space, certainly. To do this, the model description is placed in a subspace of space transformed. In this subspace, the transformed model description using a nonlinear controller model be a controller model description Right. This controller model description is in the original transformed space of the model description. Under Use of the back-transformed controller model description the controlled variable is determined.
Die Anordnung gemäß Patentanspruch 13 zur Bestimmung einer
Regelgröße eines technischen Systems, welches mit einer vor
gegebenen Modellbeschreibung in einem vorgegebenen Raum be
schrieben wird, umfaßt einen Prozessor, der derart eingerich
tet ist, daß folgende Schritte durchführbar sind:
The arrangement according to claim 13 for determining a controlled variable of a technical system, which is written with a given model description in a given space, comprises a processor which is set up such that the following steps can be carried out:
- - Transformation der Modellbeschreibung in einen Unterraum des Raums; - Transformation of the model description into a subspace of space;
- - Bestimmung einer Reglermodellbeschreibung aus der transfor mierten Modellbeschreibung unter Verwendung eines vorgebbaren nichtlinearen Reglermodells;- Determination of a controller model description from the transfor model description using a specifiable non-linear controller model;
- - Rücktransformation der Reglermodellbeschreibung in den Raum der Modellbeschreibung;- Back transformation of the controller model description into the room the model description;
- - Bestimmung der Regelgröße unter Verwendung der rücktrans formierten Reglermodellbeschreibung.- Determination of the controlled variable using the reverse trans formed controller model description.
Durch das Verfahren und die Anordnung wird erreicht, daß eine Regelgröße eines technischen Systems bestimmt wird, wobei das geregelte technische System eine Störung stabilisiert, und daß die Regelgröße einen derartigen Wert einnimmt, daß die Regelgröße auf das dem technischen System zugrundeliegenden reale System anwendbar ist.The method and the arrangement ensure that a Controlled variable of a technical system is determined, the regulated technical system stabilizes a fault, and that the controlled variable has such a value that the Control variable on the basis of the technical system real system is applicable.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous developments of the invention result from the dependent claims.
In einer Weiterbildung ist es vorteilhaft, die Erfindung zur Regelung des technischen Systems einzusetzen. Damit kann eine Störung des technischen Systems stabilisiert werden, so daß das technische System im gesamten Zustandsraum (v, ρ, q) ein stabiles Verhalten aufweist.In a further development, it is advantageous to use the invention Use regulation of the technical system. With that a Disturbance of the technical system can be stabilized so that the technical system in the entire state space (v, ρ, q) has stable behavior.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das techni sche System ein Verkehrsfluß. Damit ist es möglich, den Ver kehrsfluß so zu regeln, daß ein homogener und störungsfreier Zustand des Verkehrsflusses erreicht wird.In a further embodiment of the invention, this is techni system a traffic flow. This makes it possible for Ver regulate the flow of traffic so that it is homogeneous and trouble-free State of traffic flow is reached.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, den
Verkehrsfluß durch folgende Beziehung darzustellen:
In a development of the invention, it is advantageous to represent the flow of traffic using the following relationship:
mit:
With:
wi bzw. ρi: frei wählbare Abbildungsparameter
li bzw. mi: frei wählbare Abbildungsparameter
i: Laufvariable
Veq bzw. ρ: Gleichgewichtsgeschwindigkeit bzw.
Fahrzeugdichte.w i or ρ i : freely selectable mapping parameters
l i or m i : freely selectable imaging parameters
i: run variable
V eq or ρ: equilibrium speed or vehicle density.
Die oben dargestellte Beziehung ist ein geeignetes Modell des realen Systems des homogenen Verkehrsflusses und eignet sich damit in besonderem Maße zur Regelung des Systems.The relationship shown above is a suitable model of the real system of homogeneous traffic flow and is suitable thus especially to regulate the system.
Um die Orts- und/oder Zeitabhängigkeit der Zustandsgrößen ei nes Verkehrsflusses zu berücksichtigen ist es als Weiterbil dung der Erfindung vorteilhaft, den Verkehrsfluß durch eine Kontinuitätsgleichung und/oder eine Beschleunigungsgleichung zu beschreiben.To the location and / or time dependence of the state variables ei It must be considered as a further development of the traffic flow tion of the invention advantageous, the flow of traffic through a Continuity equation and / or an acceleration equation to describe.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, die
Kontinuitätsgleichung durch folgende Beziehung
In a further development of the invention, it is advantageous to use the following relationship to determine the continuity equation
mit:
q: Verkehrsfluß
d/dt bzw. d/dx: eine partielle Ableitung nach der Zeit t
bzw. nach dem Ort x,
und/oder die Beschleunigungsgleichung durch folgende Bezie
hung darzustellen:
With:
q: traffic flow
d / dt or d / dx: a partial derivative according to time t or location x,
and / or represent the acceleration equation by the following relationship:
mit:
τ: Relaxationszeit
c0 2: Geschwindigkeitsvarianz
η0: Viskositätskonstante
d/dt, d/dx, d2/dx2: eine partielle Ableitung nach der
Zeit t bzw. eine partielle erste
und eine partielle zweite
Ableitung nach dem Ort x.With:
τ: relaxation time
c 0 2 : speed variance
η 0 : viscosity constant
d / dt, d / dx, d 2 / dx 2 : a partial derivative after the time t or a partial first and a partial second derivative after the location x.
Die oben dargestellten Beziehungen stellen ein gutes Modell für die Orts- und Zeitabhängigkeit der Zustandsgrößen des realen Systems des Verkehrsflusses dar und eignen sich somit in besonderem Maße zur Regelung des Systems.The relationships shown above are a good model for the location and time dependency of the state variables of the real system of traffic flow and are therefore suitable especially to regulate the system.
Ein besonders einfaches Verfahren ergibt sich in einer Wei terbildung der Erfindung, wenn die Transformation in den Un terraum des Raums dadurch durchgeführt wird, daß mehrere Di mensionen des Raums des Raums des technischen Systems auf ei ne Dimension des Unterraums zurückgeführt werden.A particularly simple method results in a white Training of the invention when the transformation in Un terraum of the room is carried out in that several Di dimensions of the space of the space of the technical system on egg ne dimension of the subspace can be reduced.
Es ist von besonderem Vorteil in einer Ausgestaltung der Er findung, das nichtlineare Reglermodell durch einen nichtli nearen strukturvariablen Regler zu beschreiben. Dadurch wird die Robustheit gegenüber einer Störung erhöht und ein gutes Regelverhalten gewährleistet.It is particularly advantageous in an embodiment of the Er finding, the non-linear controller model by a non-linear describe near structure-variable controllers. This will the robustness against a disturbance increases and a good one Control behavior guaranteed.
Vorzugsweise wird aufgrund des einfachen Verfahrens in einer Weiterbildung der Erfindung eine Methode einer äquivalenten Regelung für den Entwurf des nichtlinearen strukturvariablen Reglers eingesetzt.Because of the simple method, it is preferred to use a Development of the invention a method of an equivalent Scheme for the design of the non-linear structure variable Controller used.
Es ist besonders vorteilhaft die Erfindung im Rahmen eines Verkehrsleitsystems einzusetzen, da damit ein homogener und stabiler Verkehrsfluß des realen Systems erreicht werden kann. Dazu kann mit Hilfe eines Anzeigemittels die Regelgröße und/oder eine aus der Regelgröße bestimmbare Größe einem Ver kehrsteilnehmer angezeigt werden.It is particularly advantageous in the context of a Use traffic management system, because it is a homogeneous and stable traffic flow of the real system can be achieved can. The controlled variable can be done with the help of a display and / or a variable that can be determined from the controlled variable turn participants are displayed.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt und werden im weiteren näher erläutert. Embodiments of the invention are shown in FIGS. 1 to 3 and are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Schematische Darstellung eines realen Systems eines Verkehrsflusses Fig. 1 Schematic representation of a real system of a traffic flow
Fig. 2 Schematische Darstellung der Entwicklung eines nicht linearen Regelsystems für das System Verkehrsfluß Fig. 2 Schematic representation of the development of a non-linear control system for the traffic flow system
Fig. 3 Regelung eines realen Systems Verkehrsfluß. Fig. 3 control of a real traffic flow system.
In Fig. 1 ist schematisch ein reales System eines Verkehrs flusses dargestellt.In Fig. 1, a real system of a traffic flow is shown schematically.
Auf einem beobachteten Streckenabschnitt 101 eines Fahrweges werden Fahrzeuge 102 durch ihre jeweiligen Fahrer 103 in ei ner Fahrtrichtung 106 bewegt.On an observed route section 101 of a route, vehicles 102 are moved in their direction of travel 106 by their respective drivers 103 .
An einem vorgegebenen Ort, einer Meßstelle 104, innerhalb des beobachteten Streckenabschnitts 101 werden Zustandsgrößen des Systems gemessen.State variables of the system are measured at a predetermined location, a measuring point 104 , within the observed route section 101 .
Dazu ist eine Leiterschleife 105 in eine Fahrbahn 109 einge arbeitet, die eine Anzahl iFz der Fahrzeuge 102, die die Meß stelle 104 innerhalb eines vorgegeben Zeitraumes Δt überque ren, und die jeweilige Geschwindigkeit viFz des Fahrzeugs 102, das die Meßstelle 104 überquert, mißt.For this purpose, a conductor loop 105 is worked into a carriageway 109 , the number i Fz of the vehicles 102 that cross the measuring point 104 within a predetermined time period Δt, and the respective speed v iFz of the vehicle 102 that crosses the measuring point 104 , measures.
Die Meßwerte (iFz, viFz) werden an eine mit den Leiter schleifen 105 gekoppelte Auswerteeinheit 107 übertragen. Die Auswerteeinheit 107 bestimmt in Abhängigkeit der übertragen Größen eine Richtgeschwindigkeit vSoll 108, die den Verkehrs teilnehmern unter Verwendung eines Verkehrsleitsystems 110, das mit der Auswerteeinheit 107 gekoppelt ist, angezeigt wird. The measured values (i Fz , v iFz ) are transmitted to an evaluation unit 107 coupled to the conductor loops 105 . The evaluation unit 107 determines a target speed v Soll 108 as a function of the transmitted variables, which is displayed to the traffic participants using a traffic control system 110 which is coupled to the evaluation unit 107 .
In Fig. 2 ist die Entwicklung eines nichtlinearen Regelsy stems für das System Verkehrsfluß schematisch dargestellt.In Fig. 2, the development of a non-linear Regelsy system for the traffic flow system is shown schematically.
Die Modellbeschreibung (Schritt 201) des Systems Verkehrsfluß
im Zustandsraum erfolgt durch:
The model description (step 201 ) of the traffic flow system in the state space is carried out by:
mit:
wi bzw. ρi: frei wählbare Abbildungsparameter
li bzw. mi: frei wählbare Abbildungsparameter
i: Laufvariable
Veq bzw. ρ: Gleichgewichtsgeschwindigkeit bzw.
Fahrzeugdichte
wobei:
w1 = 100 km/h bzw. w2 = 10 km/h
ρ1 = 100 Fz/km bzw. ρ2 = 160 Fz/km
l1 = 3.2 bzw. l2 = 2
m1 = 0.9 bzw. m2 = 0 gesetzt wird.With:
w i or ρ i : freely selectable mapping parameters
l i or m i : freely selectable imaging parameters
i: run variable
V eq or ρ: equilibrium speed or vehicle density
in which:
w 1 = 100 km / h or w 2 = 10 km / h
ρ 1 = 100 vehicles / km or ρ 2 = 160 vehicles / km
l 1 = 3.2 or l 2 = 2
m 1 = 0.9 or m 2 = 0 is set.
Für eine freie Geschwindigkeit vfree im Grenzwert (ρ → 0) gilt: vfree = w1 + w2 = 110 km/h.For a free speed v free in the limit (ρ → 0) the following applies: v free = w 1 + w 2 = 110 km / h.
Für ρ < ρ1 gilt w1 = 0, um einen Anstieg der Veq(ρ)-Beziehung zu verhindern.For ρ <ρ 1 , w 1 = 0 applies to prevent an increase in the V eq (ρ) relationship.
Die Berücksichtigung der Orts- und Zeitabhängigkeit (x, t)
der Zustandsgröße Geschwindigkeit v = v(x, t) und der Zu
standsgröße ρ = ρ(x, t) erfolgt durch Kontinuitätsgleichung
(Gleichung 2) und Beschleunigungsgleichung (Gleichung 3)
The location and time dependence (x, t) of the state variable speed v = v (x, t) and the state variable ρ = ρ (x, t) are taken into account by the continuity equation (equation 2) and the acceleration equation (equation 3)
mit:
q: Verkehrsfluß
d/dt bzw. d/dx: eine partielle Ableitung nach der Zeit t
bzw. nach dem Ort x,
With:
q: traffic flow
d / dt or d / dx: a partial derivative according to time t or location x,
mit:
τ: Relaxationszeit
c0 2: Geschwindigkeitsvarianz
η0: Viskositätskonstante
d/dt, d/dx, d2/dx2: eine partielle Ableitung nach der
Zeit t bzw. eine partielle erste
und eine partielle zweite
Ableitung nach dem Ort x,
wobei:
τ0 = 6 s bzw. c0 = 13.31 m/s bzw. η0 = 59.33 m/s gesetzt wird.With:
τ: relaxation time
c 0 2 : speed variance
η 0 : viscosity constant
d / dt, d / dx, d 2 / dx 2 : a partial derivative after the time t or a partial first and a partial second derivative after the location x,
in which:
τ 0 = 6 s or c 0 = 13.31 m / s or η 0 = 59.33 m / s.
Die Wirkung einer Geschwindigkeitsbeschränkung auf den Ver
kehrsfluß wird durch eine Skalierung von Gleichung 1 be
schrieben:
The effect of a speed restriction on the traffic flow is described by scaling Equation 1:
Veq(ρ,u) = (1+u)Veq(ρ) (Gleichung 4)
V eq (ρ, u) = (1 + u) V eq (ρ) (Equation 4)
mit:
u: Reglerausgangsgröße
uVeq(ρ): Regelgröße
vfree(1+u): angezeigte Höchstgeschwindigkeit
With:
u: controller output variable
uV eq (ρ): controlled variable
vfree (1 + u): maximum speed displayed
Für die Transformation der Modellbeschreibung in den Unter
raum wird eine kollektive Koordinate z (Gleichung 5) mit:
For the transformation of the model description into the subspace, a collective coordinate z (equation 5) with:
z = x - vs.t (Gleichung 5)
z = x - v s .t (equation 5)
eingeführt, wobei vs die Geschwindigkeit einer solitären Wel le angibt. Diese solitäre Welle ist eine asymptotische Lösung der Modellgleichungen 1, 2 und 3, welche Wellen ein konstantes Profil besitzen und sich mit einer konstanten Geschwindigkeit vs ausbreiten.introduced, where v s indicates the speed of a solitary wave. This solitary wave is an asymptotic solution to model equations 1, 2 and 3, which waves have a constant profile and propagate at a constant speed v s .
Die transformierte Modellbeschreibung (Schritt 203)
(Gleichung 6) für eine solitäre Welle ergibt sich zu:
The transformed model description (step 203 ) (equation 6) for a solitary wave results in:
mit:
With:
: eine partielle Ableitung erster bzw. zweiter Ordnung der Verkehrsflußgeschwindigkeit nach der kollektiven Koordinate z: a partial derivative of the first or second Order of traffic flow speed the collective coordinate z
Die transformierte Kontinuitätsgleichung (Gleichung 7) lie
fert als Nebenbedingung (Gleichung 8) den konstanten Fluß q0:
The transformed continuity equation (equation 7) provides the constant flow q 0 as a secondary condition (equation 8):
ρ(v-vs) = q0 = const. (Gleichung 8).ρ (vv s ) = q 0 = const. (Equation 8).
Zur Regelung der transformierten Modellbeschreibung wird auf grund der Regeleigenschaften ein nichtlinearer strukturvaria bler Regler eingesetzt [5].To regulate the transformed model description is on due to the control properties, a non-linear structural variant only controller used [5].
Dazu wird die transformierte Modellbeschreibung (Gleichung 6)
unter Berücksichtigung von Gleichung 4 wie folgt dargestellt:
For this purpose, the transformed model description (equation 6) is shown taking equation 4 into account as follows:
mit:
f(v, dv/dz) bzw. b(v, dv/dz): Abbildungsvorschriften.With:
f (v, dv / dz) or b (v, dv / dz): mapping rules.
Der Entwurf des nichtlinearen strukturvariablen Reglers er folgt unter Verwendung der Methode der äquivalenten Regelung [5].The design of the nonlinear structure variable controller he follows using the equivalent control method [5].
Das Regelgesetz (Gleichung 12) lautet:
u = ue + un (Gleichung 12)
mit:
u : Reglerausgangsgröße
ue, un: äquivalenter bzw. nicht-kontinuierlicher Anteil
der Reglerausgangsgröße.The rule law (equation 12) is:
u = u e + u n (Equation 12)
With:
u: controller output variable
u e , u n : equivalent or non-continuous part of the controller output variable.
Weiter gilt:
s = λv + dv/dz (Gleichung 13)
VL(s) = (1/2)s2 (Gleichung 14)
mit:
s: Schaltvariable
λ: Systemparameter, λ<0
VL: Ljapunow-ähnliche Funktion
VL(s): Abbildungsvorschrift.The following also applies:
s = λv + dv / dz (Equation 13)
V L (s) = (1/2) s 2 (Equation 14)
With:
s: switching variable
λ: system parameters, λ <0
V L : Lyapunov-like function
V L (s): mapping rule.
Die Wahl der Schaltvariablen s erfolgt derart, daß das System für s = 0 (Gleitzustand) stabil ist.The switching variables s are selected such that the system is stable for s = 0 (sliding state).
Die Reglerausgangsgröße u wird so bestimmt, daß die Ableitung
der Ljapunow-ähnlichen Funktion VL nach der kollektiven Koor
dinate z negativ ist:
The controller output variable u is determined so that the derivative of the Lyapunow-like function V L is negative according to the collective coordinate z:
dVL/dz < 0. (Gleichung 15)dV L / dz <0. (Equation 15)
Der Gleitzustand s = 0 wird äquivalent durch ds/dz = 0 be schrieben.The sliding state s = 0 is equivalent to ds / dz = 0 be wrote.
Unter Berücksichtigung der Skalierung (Gleichung 4) und der
transformierten Modellbeschreibung (Gleichung 6) wird der
äquivalente Anteil der Reglerausgangsgröße ue wie folgt dar
gestellt:
Taking into account the scaling (equation 4) and the transformed model description (equation 6), the equivalent part of the controller output variable u e is represented as follows:
Der nicht-kontinuierliche Anteil der Reglerausgangsgröße un
wird wie folgt dargestellt:
The non-continuous part of the controller output variable u n is shown as follows:
mit:
K: Systemparameter, K < 0.With:
K: system parameters, K <0.
Damit erhält man ein geregeltes System im Unterraum (Schritt 205).This provides a controlled system in the subspace (step 205 ).
Für die Rücktransformation (Schritt 206) wird der nicht kontinuierliche Anteil der Reglerausgangsgröße un vernachläs sigt.For the inverse transformation (step 206 ), the non-continuous portion of the controller output variable u n is neglected.
Die Rücktransformation ergibt:
The back transformation results in:
Unter Vernachlässigung des Beschleunigungsterms dv/dt, der in
der Praxis in der Regel nicht gemessen wird, ergibt sich:
Neglecting the acceleration term dv / dt, which is usually not measured in practice, results in:
Damit wird das geregelte System Verkehrsfluß im ursprüngli
chen Raum des technischen Systems (Schritt 207) durch folgen
de Beziehungen (Gleichung 20, 2 und 21) beschrieben:
The regulated traffic flow system in the original space of the technical system (step 207 ) is thus described by the following relationships (equations 20, 2 and 21):
Veq(ρ,u) = (1+ue)Veq(ρ) = v, (Gleichung 20)
V eq (ρ, u) = (1 + u e ) V eq (ρ) = v, (Equation 20)
Eine lokale Stabilitätsanalyse des geregelten Systems im ur
sprünglichen Raum zeigt folgende Eigenschaften des geregelten
Systems:
Im gesamten Zustandsraum des technischen Systems weist das
geregelte System ein stabiles Verhalten bezüglich beliebiger
Störungen auf.A local stability analysis of the controlled system in the original room shows the following properties of the controlled system:
In the entire state space of the technical system, the controlled system exhibits stable behavior with regard to any faults.
Der homogene und stabile Zustand des geregelten Systems (ρhom, qhom, vhom), der sich durch die nichtlineare und strukturvariable Regelung einstellt, entspricht den räumlich gemittelten Anfangsbedingungen der Systemgrößen (ρ, q, v).The homogeneous and stable state of the controlled system (ρ hom , q hom , v hom ), which results from the non-linear and structure-variable control, corresponds to the spatially averaged initial conditions of the system variables (ρ, q, v).
Die Regelgröße liefert maximale Werte (maximale Regeleingrif fe ca. 25 km/h) die auf das reale System Verkehrsfluß anwend bar sind.The controlled variable supplies maximum values (maximum control intervention approx. 25 km / h) which apply to the real traffic flow system are cash.
In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie unter Verwendung des geregelten Modells des Systems Verkehrsfluß das reale Sy stem Verkehrsfluß homogenisiert wird.In Fig. 3 is shown schematically how using the regulated model of the traffic flow system, the real Sy stem traffic flow is homogenized.
An einem vorgegebenen Ort 301 eines beobachteten Verkehrs flusses 302 werden in vorgegebenen Zeitabständen Δt die Zu standsgrößen (ρ, q, v) des Verkehrsflusses 302 gemessen. An einem vorgebbaren Zeitpunkt t = 0 s wird die Messung gestar tet.At a predetermined location 301 of an observed traffic flow 302 , the state variables (ρ, q, v) of the traffic flow 302 are measured at predetermined time intervals Δt. The measurement is started at a predeterminable time t = 0 s.
Die gemessenen Ausgangszustandsgrößen des realen Systems sind ρStart, qStart, vStart.The measured output state variables of the real system are ρ start , q start , v start .
Die gemessenen Zustandsgrößen (ρ, q, v) werden an das gere gelte Modell des Systems angelegt. Tritt eine Störung des realen Systems auf, ändern sich die gemessenen Zustandsgrößen (ρStör, qStör, vStör) The measured state variables (ρ, q, v) are applied to the regulated model of the system. If the real system malfunctions, the measured state variables change (ρ Stör , q Stör , v Stör )
Das geregelte Modell bestimmt in Abhängigkeit der aktuell zu geführten Zustandsgrößen des Systems (ρStör, qStör, vStör) und der Ausgangszustandsgrößen (ρStart, qStart, vStart) die Regelgröße vSoll.The controlled model determines the controlled variable v target as a function of the current state variables of the system (ρ Stör , q Stör , v Stör ) and the output state variables (ρ Start , q Start , v Start ).
Diese wird mit Hilfe eines Verkehrsleitsystems 303 einem Ver kehrsteilnehmer 304 angezeigt. Zu einem Zeitpunkt t1 erreicht das reale System wieder den stabilen Ausgangszustand (ρStart, qStart, vStart).This is displayed to a traffic participant 304 with the aid of a traffic control system 303 . At a point in time t 1 , the real system again reaches the stable initial state (ρ Start , q Start , v Start ).
Im folgenden werden einige Alternativen der Erfindung angege ben:Some alternatives to the invention are set out below ben:
Ein alternativer Ansatz für die Geschwindigkeit im Gleichge
wicht ist:
An alternative approach to speed balance is:
Auch die Beschleunigungsgleichung kann durch einen anderen Ansatz ersetzt werden, sofern die charakteristischen Eigen schaften wie Instabilität im mittleren Dichtebereich und das Auftreten von einer solitären Welle als asymptotische Lösung gewährleistet ist. The acceleration equation can also be replaced by another Approach to be replaced provided the characteristic eigen like instability in the medium density range and that Occurrence of a solitary wave as an asymptotic solution is guaranteed.
Im Rahmen dieses Dokuments wurden folgende Veröffentlichungen
zitiert:
[1]: Kerner, B.S., et al., "Structure and parameters of
clusters in traffic flowl", Phys. Rev. E50(1), S. 54-83,
1994.
[2]: Kühne, R., Pal, S.K., "Straßenverkehrsbeeinflussung und
Physik der Phasenübergänge", Physik in unserer Zeit,
15. Jahrgang, Nr. 3, S. 84-92, 1984.
[3]: Zackor, H., et al., "Untersuchungen des Verkehrsablaufs
im Bereich der Leistungsfähigkeit und bei instabilem
Fluß", Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik,
Heft 524, 1988.
[4]: Cremer, M., et al., "Einsatz regelungstechnischer Mittel
zur Verbesserung des Verkehrsablaufs auf
Schnellstraßen", Forschung Straßenbau und
Straßenverkehrstechnik, Heft 307, 1980.
[5]: Lenz, H., Berstecher, R., Lang, M., "Adaptive Sliding-
Mode Control of the Absolute Gain", IFAC Nonlinear
Oontrol Systems Design Symposium, Enschede, Netherlands,
1998.The following publications have been cited in this document:
[1]: Kerner, BS, et al., "Structure and parameters of clusters in traffic flowl", Phys. Rev. E50 (1), pp. 54-83, 1994.
[2]: Kuehne, R., Pal, SK, "Influencing Road Traffic and Physics of Phase Transitions", Physik in heute, 15th year, No. 3, pp. 84-92, 1984.
[3]: Zackor, H., et al., "Investigations of the course of traffic in the area of performance and in the event of an unstable river", Research Road Construction and Road Traffic Technology, Issue 524, 1988.
[4]: Cremer, M., et al., "Use of control technology to improve the flow of traffic on expressways", Research Road Construction and Traffic Engineering, Issue 307, 1980.
[5]: Lenz, H., Berstecher, R., Lang, M., "Adaptive Sliding-Mode Control of the Absolute Gain", IFAC Nonlinear Oontrol Systems Design Symposium, Enschede, Netherlands, 1998.
Claims (30)
- - Transformation der Modellbeschreibung in einen Unterraum des Raums;
- - Bestimmung einer Reglermodellbeschreibung aus der transfor mierten Modellbeschreibung unter Verwendung eines vorgebbaren nichtlinearen Reglermodells;
- - Rücktransformation der Reglermodellbeschreibung in den Raum der Modellbeschreibung;
- - Bestimmung der Regelgröße unter Verwendung der rücktrans formierten Reglermodellbeschreibung.
- - transformation of the model description into a subspace of the room;
- - Determination of a controller model description from the transformed model description using a predefinable non-linear controller model;
- - Back transformation of the controller model description into the space of the model description;
- - Determination of the controlled variable using the back-transformed controller model description.
5. The method of claim 4, wherein the flow of traffic is described by the following relationship:
wi bzw. ρi: frei wählbare Abbildungsparameter
li bzw. mi: frei wählbare Abbildungsparameter
i: Laufvariable
Veq bzw. ρ: Gleichgewichtsgeschwindigkeit bzw. With:
w i or ρ i : freely selectable mapping parameters
l i or m i : freely selectable imaging parameters
i: run variable
V eq or ρ: equilibrium velocity or
mit:
q: Verkehrsfluß
d/dt bzw. d/dx: eine partielle Ableitung nach der Zeit t bzw. nach dem Ort x.7. The method of claim 6, wherein the continuity equation has the following relationship:
With:
q: traffic flow
d / dt or d / dx: a partial derivative according to time t or location x.
mit:
τ: Relaxationszeit
c0 2: Geschwindigkeitsvarianz
η0: Viskositätskonstante
d/dt, d/dx, d2/dx2: eine partielle Ableitung nach der Zeit t bzw. eine partielle erste und eine partielle zweite Ableitung nach dem Ort x. 9. The method of claim 8, wherein the acceleration equation has the following relationship:
With:
τ: relaxation time
c 0 2 : speed variance
η 0 : viscosity constant
d / dt, d / dx, d 2 / dx 2 : a partial derivative after the time t or a partial first and a partial second derivative after the location x.
- - Transformation der Modellbeschreibung in einen Unterraum;
- - Bestimmung einer Reglermodellbeschreibung aus der transfor mierten Modellbeschreibung unter Verwendung eines vorgebbaren nichtlinearen Reglermodells;
- - Rücktransformation der Reglermodellbeschreibung in den Raum der Modellbeschreibung;
- - Bestimmung der Regelgröße unter Verwendung der rücktrans formierten Reglermodellbeschreibung.
- - transformation of the model description into a subspace;
- - Determination of a controller model description from the transformed model description using a predefinable non-linear controller model;
- - Back transformation of the controller model description into the space of the model description;
- - Determination of the controlled variable using the back-transformed controller model description.
mit:
wi bzw. ρi: frei wählbare Abbildungsparameter
li bzw. mi: frei wählbare Abbildungsparameter
i: Laufvariable
Veq bzw. ρ: Gleichgewichtsgeschwindigkeit bzw. Fahrzeugdichte.18. The arrangement according to claim 17, wherein the processor is set up such that the traffic flow is described by the following relationship:
With:
w i or ρ i : freely selectable mapping parameters
l i or m i : freely selectable imaging parameters
i: run variable
V eq or ρ: equilibrium speed or vehicle density.
mit:
q: Verkehrsfluß
d/dt bzw. d/dx: eine partielle Ableitung nach der Zeit t bzw. nach dem Ort x.20. The arrangement according to claim 19, wherein the processor is set up in such a way that the continuity equation has the following relationship:
With:
q: traffic flow
d / dt or d / dx: a partial derivative according to time t or location x.
mit:
τ: Relaxationszeit
c0 2: Geschwindigkeitsvarianz
η0: Viskositätskonstante
d/dt, d/dx, d2/dx2: eine partielle Ableitung nach der Zeit t bzw. eine partielle erste und eine partielle zweite Ableitung nach dem Ort x.22. The arrangement according to claim 21, wherein the processor is set up such that the acceleration equation has the following relationship:
With:
τ: relaxation time
c 0 2 : speed variance
η 0 : viscosity constant
d / dt, d / dx, d 2 / dx 2 : a partial derivative after the time t or a partial first and a partial second derivative after the location x.
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-
1999
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- 1999-07-01 EP EP99944247A patent/EP1095360A2/en not_active Withdrawn
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