DE602006000731T2

DE602006000731T2 - Autoadaptives Einstellungsgerät zur Positionssteuerung von Aktuatoren in einem Antriebssystem mittels Gleitmodusverfahren und entsprechendes Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE602006000731T2
Application number: DE602006000731T
Authority: DE
Inventors: Filippo Lombardi; Stefano Cacciacarne
Original assignee: Ansaldo Energia SpA
Current assignee: Ansaldo Energia SpA
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: DE602006000731D1; EP1720081A1; ITTO20050290A1; ATE389905T1; EP1720081B1; ES2302295T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbstanpassende Regelvorrichtung zur Regelung der Position einer oder mehrerer Stelleinheiten in einem Betätigungssystem mittels des Gleitmodus-Verfahrens und auf die entsprechende Arbeitsweise.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Regelvorrichtung, die fähig ist, auf eine völlig automatische Weise die Regelungsparameter zu konfigurieren, die zur Regelung der Position eines oder mehrerer Stelleinheiten verwendet werden, die konzipiert sind, ein Ventil zur Regelung des Fluids anzutreiben, das sich in einer Gas-, Dampf- oder Wasserturbine (Turbomaschine) entwickelt, worauf sich die folgende Beschreibung rein beispielhalber bezieht.
Wie bekannt ist, werden gegenwärtig auf dem Gebiet der Regelung des Fluids (ob Gas, Dampf oder Wasser), das Turbinen zugeführt wird, elektrohydraulische Systeme verwendet. Diese bestehen grundlegend aus einem Betätigungssystem, das einen hydraulischen Zylinder umfasst, der allgemein als "Servomotor" bezeichnet wird, wobei dieser fähig ist, das Ventil zu betätigen, welches das der Turbine zugeführte Fluid reguliert, und aus einem elektrohydraulischen Konverter, der konzipiert ist, den Fluss des hydraulischen Fluids zu modulieren, das den Kolben im hydraulischen Zylinder des Servomotors verdrängt.
Die oben erwähnten elektrohydraulischen Systeme umfassen weiter ein elektronisches Regelsystem, das als "Regelvorrichtung" bezeichnet wird, die fähig ist, einen Satz Regelungen mit geschlossenem Regelkreis, d. h., Rückführungsregelungen, zu implementieren, die einen Vergleich der gemessenen physikalischen Menge/Mengen, die zu steuern ist/sind (typisch die Position des elektrohydraulischen Konverters und/oder die Position des Servomotors) mit den jeweiligen erwünschten Referenzwerten ins Auge fassen und die besagte(n) Menge oder Mengen gemäß einem vorgegebenen Regelvorgang verarbeiten, wobei als eine Funktion davon ein elektrisches Steuersignal generiert wird, das den elektrohydraulischen Konverter antreibt, um die Zufuhr des Fluids zur Turbine zu modulieren.
Es ist überdies bekannt, dass bis jetzt elektrohydraulische Systeme zum Bewegen von Turbinenregelventilen grundlegend in drei unterschiedliche Typen klassifiziert werden können, wobei jeder durch den Druck des hydraulischen Fluids gekennzeichnet ist, der für ihre Betätigung zur Verfügung steht.
Insbesondere besteht eine erste Klasse elektrohydraulischer Systeme aus Systemen, denen ein hydraulisches Fluid bei niedrigem Druck (zwischen 6 und 15 bar) zugeführt wird, das allgemein vier aneinander kaskadierte Regelschleifen umfasst; eine zweite Klasse besteht stattdessen aus Systemen, denen ein hydraulisches Fluid mit einem mittleren Druck (zwischen 30 und 60 bar) zugeführt wird und die eine Schaltkreiskonfiguration mit drei aneinander kaskadierten Regelschleifen aufweisen; schließlich wird die dritte Klasse durch Systeme repräsentiert, denen ein hydraulisches Fluid mit hohem Druck (zwischen 90 und 200 bar) zugeführt wird und die allgemein eine einzige Regelschleife umfassen.
Gemäß der Klasse, zu der das elektrohydraulische System gehört, kann der elektrohydraulische Konverter ein Proportionalventil oder ein Servoventil umfassen, deren Regelung, für die oben beschriebenen elektronischen Regelsysteme, einen der Punkte größerer Kritikalität darstellt, insofern als es durch eine erhebliche Anzahl parametrischer Unsicherheiten des elektrohydraulischen Systems bedingt ist.
Mit anderen Worten, das elektrohydraulische System ist merklich durch das Proportionalventil und/oder das Servoventil bedingt, deren Verhalten durch eine Anzahl von Variablen wie beispielsweise verschiedene Reibungsarten, hydrodynamische Reaktionen, magnetische Hysterese, Viskosität des Fluids usw. beeinträchtigt wird.
Die Anwesenheit der besagten Unsicherheiten macht den Vorgang der anfänglichen Kalibrierung der vom elektrohydraulischen System verwendeten Regelparameter äußerst mühsam und komplex. Die besagten Kalibriervorgänge werden tatsächlich normalerweise von einem Bediener auf der Klasse beruhend ausgeführt, zu der das System gehört.
Außerdem stellen die oben beschriebenen elektrohydraulischen Systeme das große Problem ernsthafter Beschränkungen hinsichtlich statischer/dynamischer Performance dar, was Präzision, Reaktionsschnelligkeit und den Dämpfungskoeffizienten des Systems betrifft.
Da es sich bei Turbinen um Maschinen handelt, die gegenüber den Veränderungen der Strömungsrate sehr empfindlich sind, wird es für den Zweck einer stabilen Regelung der Drehzahl und Belastung eigentlich erforderlich, sehr präzise und schnelle Stelleinheiten verfügbar zu haben. Solch eine Performance zu erhalten, involviert die Verwendung technisch sehr ausgereifter elektrohydraulischer Konverter, die aber zu einer offensichtlichen Zunahme an Komplexität der Regelung der Position im elektrohydraulischen System führen. Im typischen Fall kommt es häufig vor, dass, um die Performance des elektrohydraulischen Systems zu verbessern, Kalibrierungen der Regelparameter bis zur Stabilitätsgrenze vorgenommen werden, was aber einen Verlust an "Regelungsrobustheit" (Unempfindlichkeit gegenüber Unsicherheiten an den Parametern des geregelten Systems) bestimmt. In diesem Fall kann selbst eine geringe Veränderung einiger Parameter die Stabilität der ganzen Regelschleife gefährden, was dazu führt, die Maschine für eine neue Kalibrierung der Parameter stoppen zu müssen.
Überdies sind Gleitmodus-Controller aus der US 5988848 , US 6574544 und EP 0446362 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine selbstanpassende Regelvorrichtung zum Steuern der Position von Stelleinheiten in einem Betätigungssystem mittels des Gleitmodus-Verfahrens bereitzustellen, wobei die besagte Vorrichtung fähig ist, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden.
Der vorliegenden Erfindung gemäß ist eine selbstanpassende Regelvorrichtung zum Steuern der Position einer oder mehrerer Stelleinheiten eines Betätigungssystems mittels des Gleitmodus-Verfahrens, wie im Patentanspruch 1 und, vorzugsweise, in einem der nachfolgenden Patentansprüche angegeben, die entweder direkt oder indirekt vom Patentanspruch 1 abhängen, bereitgestellt.
Der vorliegenden Erfindung gemäß ist überdies eine Arbeitsweise einer selbstanpassenden Regelvorrichtung zum Steuern der Position einer oder mehrerer Stelleinheiten eines Betätigungssystems mittels des Gleitmodus-Verfahrens, wie im Patentanspruch 12 und, vorzugsweise, in einem der nachfolgenden Patentansprüche angegeben, die entweder direkt oder indirekt vom Patentanspruch 12 abhängen, bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die angehängte Tafel von Zeichnungen beschrieben, die eine nicht begrenzende Ausführungsform davon veranschaulicht und, in der:
1 ein Blockdiagramm einer selbstanpassenden Regelvorrichtung zum Steuern der Position von Stelleinheiten in einem Betätigungssystem mittels des Gleitmodus-Verfahrens zeigt, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird; und
2 veranschaulicht ein Ablaufschema der Vorgänge, die von der selbstanpassenden Regelvorrichtung während des Ablaufs der automatischen Konfiguration implementiert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Prinzip der Identifizierung einer Anzahl von Parametern, die ein zu steuerndes Betätigungssystem kennzeichnen, der Ermittlung, beruhend auf den identifizieren Parameter, eines Steuermodells auf der Basis der sogenannten Gleitmodus-Theorie und der Anpassung einer Regelvorrichtung des Betätigungssystems auf der Basis des ermittelten Steuermodells.
Insbesondere beruht die vorliegende Erfindung im Wesentlichen auf der Idee der automatischen Konfigurierung, beruhend auf den identifizierten Parameter, einer "Schaltfläche", die, wie nachstehend deutlich beschrieben wird, konzipiert ist, von der Regeleinrichtung während der Steuerung des Betätigungssystems verwendet zu werden.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Prärogativ des Gleitmodus-Verfahrens in der Tatsache liegt, dass, sobald die Grenzwerte der Intensität des elektrischen Steuersignals des Betätigungssystems, als eine Funktion der erforderlichen Performance, definiert worden sind, die Synthese einer Schaltfläche im Zwischenraum der Zustände zur Definition einer Regelvorrichtung führt, die unempfindlich gegenüber den Veränderungen der Parameter und den Unsicherheiten ist, die im gesteuerten Betätigungssystem entstehen.
Im typischen Fall kann die Regelvorrichtung, sobald die Schaltfläche identifiziert worden ist, beginnend von einem Ausgangszustand einen Zustand erreichen, der vom Zustand bestimmt wird, wodurch die Schaltfläche oder die Kombination einer Anzahl voreingestellter Schaltflächen in einer endlichen Zeit auf Null geht.
Mit Bezug auf die 1 bezeichnet die Zahl 1 als Ganzes eine Regelvorrichtung mit der Funktion, die Position einer oder mehrerer in einem Betätigungssystem anwesender Stelleinheiten nach dem Gleitmodus-Verfahren zu regulieren.
Die Regelvorrichtung 1 umfasst im Grunde ein Leistungsmodul 2, das einen Eingang aufweist, der an ein Versorgungsmodul 3 angeschlossen hat, von dem es ein Stromversorgungssignal erhält und fähig ist, am Ausgang ein Steuersignal U(t) zu generieren, das konzipiert ist, das Betätigungssystem 4 des Abgabeventils (nicht gezeigt) des Fluids in einer Turbine (nicht gezeigt) anzutreiben.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Betätigungssystem 4 einen Servomechanismus umfassen kann, der seinerseits eine oder mehrere elektrohydraulische oder elektromechanische Stelleinheiten umfasst, die konzipiert sind, als Ganzes den Regelvorgang am Abgabeventil (nicht gezeigt) auszuführen. Speziell die im Betätigungssystem 4 enthaltenen Stelleinheiten können jede Konfiguration präsentieren. Beispielsweise lassen sich die Stelleinheiten gemäß der Klasse von Betätigungssystemen konfigurieren, die "mit niedrigem Druck" versorgt werden oder gemäß der Klasse von Betätigungssystemen, die "mit mittlerem Druck" versorgt werden, in denen jeweils die Verwendung eines Servomotors und eines elektrohydraulischen Konverters ins Auge gefasst werden, was durch ein Proportionalventil konstituiert wird, das einen Zwischenservozylinder und ein Proportionalventil für große Strömungsraten antreibt oder aber gemäß der Klasse von Betätigungssystemen, die "mit hohem Druck" versorgt werden, in denen ein Servomotor und ein Servoventil ins Auge gefasst werden.
Die Regelvorrichtung 1 umfasst weiter ein Identifizierungsmodul 5, das am Eingang eine Reihe von Messsignalen X_i(t) empfangt, die mit den Positionen der im Betätigungssystem 4 enthaltenen Stelleinheit oder Stelleinheiten und dem Steuersignal U(t) korreliert sind, das vom Leistungsmodul 2 generiert wird.
Im typischen Fall werden die Messsignale X_i(t) am Eingang zum Identifizierungsmodul 5 durch jeweilige Positionsmesssensoren (nicht gezeigt) zugeführt, die, gemäß der Konfiguration des Betätigungssystems 4, fähig sind ein Messsignal X_i(t), das der Position X₁ des Servomotors (nicht gezeigt) entspricht, und/oder ein Messsignal X₂(t), das der Position X₂ des Zylinders des elektrohydraulischen Konverters (nicht gezeigt) entspricht, und/oder ein Messsignal X₃(t), das der Position X₃ des Ventils des elektrohydraulischen Konverters (nicht gezeigt) entspricht, etc., zu liefern.
Das Identifizierungsmodul 5 ist fähig eine synchronisierte Abtastung der Messsignale X_i(t) und des Steuersignals U(t) bei voreingestellten Abtastungsintervallen T_c auszuführen, um die abgetasteten Werte X_K und U_K zu ermitteln und Letztere angemessen zu verarbeiten, um eine parametrische und strukturelle Identifizierung des Betätigungssystems 4 durchzuführen. Im typischen Fall ist, wie es hiernach ausführlich beschrieben werden wird, das Identifizierungsmodul 5 fähig, die abgetasteten Werte U_K des Steuersignals U(t) und die Messparameter X_K der Positionen, die den Positionen der im Betätigungssystem 4 anwesenden Stelleinheiten entsprechen, zu verarbeiten und einen Algorithmus für parametrische und strukturelle Identifizierung zu implementieren, der konzipiert ist, die Übertragungsfunktion G(z) des Betätigungssystems 4 zu bestimmen.
Mehr im einzelnen ist das Identifizierungsmodul 5 beim Implementieren des Algorithmus der strukturellen parametrischen Identifizierung fähig, am Ausgang die Parameter b_i und a_i (wobei i von 1 bis n reicht) zu liefern, die die Polynome jeweils im Zähler und im Nenner der Übertragungsfunktion G(z) des Betätigungssystems 4 kennzeichnen.
Der vom Identifizierungsmodul 5 implementierte Algorithmus struktureller und parametrischer Identifizierung kann beispielsweise der Methode der kleinsten Quadrate oder der Rekursionsmethode der kleinsten Quadrate mit oder ohne "forgetting factor" oder dem Fehlervoraussage-Gradientenverfahren oder irgendeinem anderen ähnlichen Verfahren entsprechen, das ermöglichen wird, eine parametrische und strukturelle Identifizierung des Betätigungssystems 4 auszuführen.
Beispielsweise ist es dann im Falle, wo die Methode der kleinsten Quadrate implementiert wird, wenn die abgetasteten Werte U_K des Steuersignals U(t) und die Werte X_K der Messsignale mit konstanten Zeitintervallen T_c abgetastet werden und das Steuersignal U(t) derartig variabel ist, eine Reaktion vom Betätigungssystem 4 zu erregen, d. h. ein Bewegen der Stelleinheiten zu bewirken, möglich, ein strukturelles mathematisches Modell zu bestimmen, das das Betätigungssystem 4 mittels der folgenden Beziehung identifiziert:
Dabei gilt: U_K und X_K entsprechen, jeweils, dem Wert des Steuersignals, d. h., des Eingangssignals des Betätigungssystems 4 und dem Wert des Messsignals, d. h., des im Moment k·T_c abgetasteten Ausgangssignals; n ist die Ordnung des Betätigungssystems; und abschließend sind a_i und b_j Koeffizienten der Übertragungsfunktion G(z), korreliert in Bezug auf das zu identifizierende Betätigungssystem 4.
Unter der Annahme, dass N Messungen der Eingänge (Werte U_K) und der Ausgänge (Werte X_K) vorgenommen worden sind, werden die folgenden zwei Vektoren definiert:
Aus diesen wird die folgende Regressionsmatrix erhalten:
Daraus ergibt sich die folgende lineare Gleichung: Y(N) = Ψ(N)·θ ^
Dabei gilt: θ ^ ist der Vektor der reellen Koeffizienten a_i, b_j.
Möchte man die quadratische Abweichung zwischen den Messungen Y(N) und einer Schätzung θ ^ der reellen Koeffizienten a_i, b_j minimieren, d. h., im Falle, wo die folgende Funktion einer Funktion minimiert werden soll:
Falls an dieser Stelle (Ψ^T·Ψ)^–1 umkehrbar ist, dann ist das Betätigungssystem 4 identifizierbar und die reellen Koeffizienten a_i, b_j des Vektors B definieren die Übertragungsfunktion G(z) des Betätigungssystems 4 auf eine optimale Art. In diesem Fall ist es möglich, die Übertragungsfunktion G(z) des Betätigungssystems wie folgt abzuleiten:
Das System 1 umfasst weiter ein Oberflächengeneratormodul 6, das am Eingang die Parameter a_i und b_j erhält, die die Übertragungsfunktion G(z) des Betätigungssystems 4 kennzeichnen, und am Ausgang die stabilen Nullen β_K, die von der Funktion G(z) abgeleitet wurden, und die Ordnung n des mit dem Betätigungssystem 4 assoziierten Strukturmodells liefert.
Insbesondere identifiziert das Oberflächengeneratormodul 6 die Anzahl von Polstellen α_K, die im Nenner, und die Anzahl von Nullstellen, die im Zähler der Übertragungsfunktion G(z) anwesend sind, führt eine Diskriminierung der stabilen Nullstellen β_K aus den identifizierten Nullstellen durch und bestimmt, beruhend auf der Anzahl von Polstellen α_k der Übertragungsfunktion G(z), die Ordnung n des Betätigungssystems 4.
Das Oberflächengeneratormodul 6 ist überdies konzipiert, am Eingang einen Satz Information H_i zu erhalten, der in Bezug auf die elektrische Leistung korreliert ist, die im Leistungsmodul 2 zur Steuerung der Position des Regelventils (nicht gezeigt) durch das Betätigungssystem 4 verfügbar ist, einen Satz Information H_i, hinsichtlich der erforderlichen Positioniergenauigkeit und einen Satz Information H_i hinsichtlich der Dynamik der Reaktion, die vom Betätigungssystem 4 verlangt wird.
Das Oberflächengeneratormodul 6 ist konzipiert die Information H_i zu verarbeiten, um einen Einstellparameter λ der "Schaltfläche" zu bestimmen.
Mit Bezug auf die 1 umfasst das System 1 weiter ein Addiermodul 7, das an einem ersten Eingang ein Signal X_d(t), das die erwünschte Position anzeigt, d. h., die Position, die die im Betätigungssystem 4 enthaltene Stelleinheit einnehmen muss, und an einem zweiten Eingang die Signale X_i(t) empfängt, die die im Betätigungssystem 4 gemessenen Positionen anzeigen und das konzipiert ist, am Ausgang ein Fehlersignal e(t) zu liefern, das der Differenz zwischen der erwünschten Position im Moment t, die im Signal X_d(t) codiert ist und den Positionen, die im Betätigungssystem 4 wiederum im gleichen Moment t gemessen wurden und in den Signalen X_i(t) codiert sind, entspricht.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Addiermodul 7 das Fehlersignal e(t) sowohl als eine Funktion der Konfiguration des Betätigungssystems 4, d h., der Ordnung n des mit dem Betätigungssystem 4 assoziierten Strukturmodells, als auch auf der Basis der verfügbaren Messungen der Position X_i(t) bestimmt.
Das Fehlersignal e(t) lässt sich auf folgende Arten berechnen:

– e(t) = X₁(t) – X_d(t) im Fall, wo nur die Position X₁ des Servomotors verfügbar ist (ein Zustand, der in Systemen auftritt, die mit einem niedrigen, mittleren oder hohen Druck versorgt werden);
– e(t) = X₁(t) + X₂(t) – X_d(t) im Fall, wo nur die Position X₁ des Servomotors und die Position X₂ des Zylinders des elektrohydraulischen Konverters verfügbar ist (ein Zustand, der in Systemen auftritt, die mit niedrigem und mittlerem Druck versorgt werden); oder aber
– e(t) = X₁(t) + X₂(t) + X₃(t) – Xd(t) im Fall, wo nur die Position X₃ des Ventils des Servomotors verfügbar ist (ein Zustand, der nur in Systemen auftritt, die mit niedrigem Druck versorgt werden).

Mit Bezug auf die 1 umfasst das System 1 weiter ein Filtermodul 8, das am Eingang das Fehlersignal e(t) und die stabilen Nullen β_K empfängt und am Ausgang das Fehlersignal e(t) selbst gefiltert bereitstellt. Im typischen Fall ist das Filtermodul 7, beruhend auf den stabilen Nullen β_K, fähig automatisch konfiguriert zu werden, um einen (Tiefpass-) Filter zu definieren, der konzipiert ist, irgendeine mögliche Rauschstörung oder Störung aus dem Fehlersignal e(t) herauszufiltern, die in die Positionssignale X_i(t), während des Messschritts und des Abtastschritts eingeführt wurden.
Das System 1 umfasst weiter ein Synthesemodul 9, das am Eingang den Einstellparameter λ, die Ordnung n des Systems und das Fehlersignal e(t) empfängt und am Ausgang die Schaltfläche σ(e) liefert, die durch Implementieren eines Berechnungsalgorithmus, der auf einem Gleitmodus-Verfahren erster Ordnung oder zweiter Ordnung beruht, bestimmt werden kann.
Im typischen Fall hat das Synthesemodul 9 die Funktion des Synthetisierens, d. h., die Schaltfläche σ(e) durch Anwendung der folgenden Beziehung zu definieren:
im Fall, wo der Gleitmodus erster Ordnung implementiert wird; oder der folgenden Beziehung:
im Fall, wo der Gleitmodus zweiter Ordnung implementiert wird.
In der obigen Beschreibung sollte darauf hingewiesen werden, dass das Synthesemodul 9f fähig ist, die Ordnung zu definieren, die der Schalt- oder Gleitfläche σ(e), auf der Basis der Anzahl von Polstellen der Übertragungsfunktion und der Anzahl und Art von verfügbaren Messungen der Position X_k, zugeteilt werden soll. Beispielsweise generiert das Synthesemodul 9 in einem Betätigungssystem fünfter Ordnung, bei dem nur die Messung X_K der Position des Servomotors vorliegt, eine Oberfläche vierter Ordnung (für Gleitmodi erster Ordnung) oder eine Oberfläche dritter Ordnung (für Gleitmodi zweiter Ordnung). Wenn, stattdessen, die verfügbaren Positionsmessungen die Position des Servomotors und die Position des elektrohydraulischen Konverters umfassen, ist es möglich, eine Gleitfläche dritter Ordnung oder zweiter Ordnung zuzuweisen. Mit anderen Worten, sobald die Ordnung n ermittelt ist, ist das Synthesemodul 9 fähig, die Gleitfläche außerdem auf der Basis der Anzahl von Messparametern X_k zu identifizieren. Abschließend umfasst das System 1 ein Generatormodul 10, das am Eingang die Schaltfläche σ(e) erster Ordnung oder zweiter Ordnung empfängt und, als eine Funktion der Letzteren, am Ausgang das Steuersignal U(t) = f(σ(e)) liefert.
Insbesondere im Fall der Implementierung des Gleitmodus erster Ordnung generiert das Generatormodul 10 das Steuersignal U(t) mittels der folgenden Beziehung: U(t) = –H2sign[σ(e)];wogegen im Fall wo der Gleitmodus zweiter Ordnung implementiert wird, das Generatormodul 10 das Steuersignal gemäß der folgenden Beziehung generiert:
wobei gilt: H ist eine voreingestellte in der Steuerung vorgesehene Verstärkung; γ und α₀ sind voreingestellte Mengen; wogegen σ_max einem Spitzenwert der Gleitfläche im Moment t entspricht.
Mit Bezug auf die 2 wird die Arbeitsweise der Regelvorrichtung 1 hiernach beschrieben.
Anfänglich führt die Regelvorrichtung 1 eine Initialisierung und eine automatische Kalibrierung der Messparameter X_k hinsichtlich der Positionen der Stelleinheiten des Betätigungssystems 4 aus. Bei diesem Schritt ist die Regelvorrichtung 1 fähig, die Stelleinheiten des Betätigungssystems 4 auf eine automatische Weise und/oder auf den Befehl eines Bedieners in voller Öffnung oder Schließung zu bewegen. Während der besagten anfänglichen Bewegung verifiziert die Regelvorrichtung 1 automatisch, welche und wie viele der Messungen der Position X_i(t) aktiv, d. h., zur Steuerung verfügbar sind, konfiguriert den Maßstabbereich davon und normalisiert auf diese Weise die identifizierten Signale X_i(t) (Block 100). Auf diese Weise identifiziert die Regelvorrichtung 1 die Anzahl und Art von Messparametern X_k, die für die Steuerkonfiguration verfügbar und verwendbar sind.
Anschließend an die automatische Kalibrierung der Messungen, d. h., anschließend an Identifizierung und Normalisierung der verfügbaren Positionsmesssignale X_i(t), führt die Regelvorrichtung 1 den Vorgang der Selbsteinstellung, d. h. Selbstanpassung der Steuerparameter des Betätigungssystems 4 aus.
Die Regelvorrichtung 1 stellt das Steuersignal U(t) ein, das bei diesem Schritt die Funktion der Signalerregung des Betätigungssystems 4 (Block 110) durchführt. Insbesondere kann das Steuersignal U(t) als eine Funktion des oben angegebenen Fehlersignals e(t) ermittelt werden, das beim Anfangsschritt der Differenz zwischen dem erwünschen Signal X_d(t), das fest sein kann, beispielsweise mit einem X_i(t)/2 entsprechendem Anfangswert, und dem Messsignal X_i(t) der Position des Servomotors, die einem Positionsmessparameter X_k entspricht. Als andere Möglichkeit kann das erwünschte Signal X_d(t) einer linearen Kombination einer Anzahl von Messparametern X_k entsprechen.
Beim Schritt der Erregung des Betätigungssystems 4 durch das Leistungsmodul 2 lässt sich das Steuersignal U(t) vorzugsweise gemäß einem PWM-Verfahren (Pulsweitenmodulationsverfahren) generieren, das eine Veränderung der Breite der Impulse des Steuersignals U(t) als eine Funktion des Fehlersignals e(t) derart vorsieht, dass der Servomotor des Betätigungssystems 4 entsprechend bewegt wird.
Anschließend an die Generierung des Steuersignals U(t), d. h. anschließend an die oben beschriebene Erregung, beginnen sich die Stelleinheiten des Betätigungssystems 4 zu bewegen, und gleichzeitig führt das Identifizierungsmodul 5 eine Erfassung des Steuersignals U(t) und der verfügbaren Messsignale X_i(t) durch, die die im Betätigungssystem 4 (Block 120) gemessenen Parameter X_k anzeigen.
Im typischen Fall führt das Identifizierungsmodul 5 bei diesem Schritt die Abtastung des Steuersignals U(t) und der Messsignale X_i(t) bei voreingestellten Intervallen T auf eine vorzugsweise synchrone Art durch. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Abtasten der Signale X_i(t) und U(t) vorzugsweise beginnen kann, wenn das Betätigungssystem 4 einen gegebenen stationären Zustand erreicht hat.
Sobald die Erfassung der Daten beendet worden ist, implementiert das Identifizierungsmodul 5 den Algorithmus parametrischer Identifizierung auf den abgetasteten Daten X_K und U_k, um die Parameter a_i und b_j der Übertragungsfunktion G(z) zu schätzen, die das strukturelle mathematische Modell des Betätigungssystems 4 (Block 130) kennzeichnet.
Wie oben angegeben, kann der vom Identifizierungsmodul 5 implementierte Algorithmus parametrischer Identifizierung, wie oben beschrieben, der Methode kleinster Quadrate entsprechen. In diesem Fall verifiziert das Identifizierungsmodul 5, ob die Identifizierung der Parameter a_i und b_j eine vorgegebene Konvergenzbeziehung (Block 140) erfüllt. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass im Fall wo die Methode kleinster Quadrate implementiert wird, die besagte Beziehung von Konvergenzen erfüllt werden kann, wenn festgestellt wird, dass (Ψ^T·Ψ)^–1 umkehrbar ist und der Schätzungsfehler e(t) eine vorgegebene Bedingung erfüllt. Die besagte vorgegebene Bedingung kann beispielsweise erfüllt werden, wenn der Fehler e(t) kleiner als ein gegebener Schwellwert ist, der beispielsweise auf 10^–6 gesetzt ist.
Wenn dies nicht der Fall ist (Ausgang NEIN von Block 140), d. h. wenn die Identifizierung der Parameter a_i und b_j nicht konvergent ist, kehrt die Regelvorrichtung 1 in den Ausgangszustand (Block 110) zurück, in dem das Leistungsmodul 2 ein neues Steuersignal U(t) derart generiert, dass eine neue Erregung und eine sich daraus ergebende Bewegung der Stelleinheiten des Betätigungssystems 4 gestartet wird. In diesem Fall sieht die Methode eine Wiederholung der Funktionen Datenerfassung, parametrische Identifizierung und Vergleich vor, die in den Blöcken 110, 120, 130 und 140 implementiert sind.
Ansonsten (Ausgang JA von Block 140), d. h. wenn die Identifizierung der Parameter a_i und b_j konvergent ist, implementiert das Oberflächengeneratormodul 6 die Steuersynthese (Block 150).
Im Detail identifiziert das Oberflächengeneratormodul 6 bei diesem Schritt die Anzahl von Polstellen α_k und die Anzahl von Nullstellen β_k, die jeweils im Nenner und im Zähler der Übertragungsfunktion G(z) vorliegen, und nimmt eine Diskriminierung der stabilen Nullstellen β_K aus den identifizierten Nullstellen vor. An dieser Stelle ermittelt das Oberflächengeneratormodul 6, auf der Anzahl von Polstellen α_k der Übertragungsfunktion G(z) beruhend, die Ordnung n des mathematischen Modells, das das Betätigungssystem 4 kennzeichnet.
In der obigen Beschreibung sollte darauf hingewiesen werden, dass, um praktisch eine Generierung von Instabilitäts-Phänomenen, aufgrund von Sättigungszuständen der Steuerung, zu verhindern, das Oberflächengeneratormodul 6 die Einstellparameter λ derart bestimmt, dass die folgenden Bedingungen vorzugsweise erfüllt werden:
dabei gilt: T_MAX ist eine zeitliche Konstante, die auf der Basis der Filterbandbreite der Signale (hiernach beschrieben) ermittelt wird; F_c ist die Abtastfrequenz des Identifizierungsmoduls 5, falls mit digitaler Technologie erhalten, und α_m ist die dominante Polstelle des identifizierten mathematischen Modells des Betätigungssystems 4.
An dieser Stelle wird das Filtermodul 8 automatisch auf der Basis der stabilen Nullstellen β_K konfiguriert und liefert am Ausgang das gefilterte Fehlersignal e(t) (Block 160). Anschließend an die Selbstkonfiguration des Filtermoduls 8 definiert das Synthesemodul 9 eine Schalt- oder Gleitfläche erster Ordnung oder zweiter Ordnung σ(e) (Block 170).
Sobald die Schalt- oder Gleitfläche σ(e) identifiziert ist, beendet die Regelvorrichtung 1 den automatischen Konfigurationsschritt. Insbesondere definiert das Generatormodul 10, anschließend an die Definition der Schalt- oder Gleitfläche σ(e), das Steuersignal U(t) zum Antreiben der Position der Stelleinheit oder Stelleinheiten des Betätigungssystems 4 als eine Funktion der konfigurierten Schalt- oder Gleitfläche σ(e) (Block 180).
In der obigen Beschreibung sollte darauf hingewiesen werden, dass es, da die höchste Ordnung des zu identifizierenden Betätigungssystems 4 nicht die sechste oder siebte Ordnung überschreitet, unter Einsatz der Methode kleinster Quadrate und Auferlegen einer anfänglichen Schätzungsordnung, die der maximal möglichen Ordnung entspricht, möglich ist zu zeigen, dass, falls die besagte Ordnung überschätzt war, die Methode konvergieren würde und der Vektor θ ^ der identifizierten Parameter in jedem Fall zu einer korrekten Schätzung führen würde. Insbesondere liefert besagte Schätzung die Koeffizienten der Polynome im Zähler und im Nenner der Übertragungsfunktion G(z), die von einem diskreten Typ sein kann (Z-Transformation, die andererseits automatisch in eine kontinuierliche Transformation im Laplace-Bereich umgesetzt werden kann). Die zwei Polynome können ihrerseits in eine faktorisierte Nullpol-Repräsentation transformiert werden. Bei einer angemessenen Toleranzwahl ist es möglich, sehr nahe aneinander liegende Polstellen und Nullstellen zu löschen und folglich die absolute Ordnung des Modells zu reduzieren, das dem Betätigungssystem 4 entspricht. Auf diese Weise ermöglicht die Schätzung der kleinsten Quadrate in der Anwesenheit einer überschätzten Ordnung, tatsächlich auf eine korrekte Weise eine vorteilhafte Identifizierung des Modells, das dem Betätigungssystem entspricht, durch Löschen wie oben erwähnt, um eine minimale Identifizierung zu erhalten.
Die oben beschriebene Regelvorrichtung 1 stellt den großen Vorteil der Vereinfachung der Kalibriervorgänge ihrer eigenen Parameter und speziell der Schalt- oder Gleitfläche σ(e) dar, die sich zum Steuern der Position der Stelleinheit oder Stelleinheiten des Betätigungssystems 4, ungeachtet der Konfiguration, d. h. der Art des Betätigungssystems selbst, wobei gleichzeitig, dank der Charakteristiken des Gleitmodus-Steuerverfahrens, eine hohe Robustheit der Regelung garantiert wird.
Abschließend ist es klar, dass Modifikationen und Veränderungen an der hierin beschriebenen und veranschaulichten Regelvorrichtung 1 vorgenommen werden können, ohne dadurch vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie durch die angehängten Patentansprüche definiert, abzuweichen.

Claims

Selbstanpassende Regelvorrichtung zur Regelung der Position wenigstens einer Stelleinheit in einem Betätigungssystem (4) zum Antrieb eines Ventils zur Regelung des in einer Gas-, Dampf- oder Wasserturbine strömenden Fluids auf der Basis einer Schaltfläche (σ(e)) gemäß dem Gleitmodus-Steuerverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Teile umfasst: – Signalgeneratormittel (2, 10) zur derartigen Erzeugung eines Steuersignals (U(t)) des besagten Betätigungssystems (4), dass die besagte wenigstens eine Stelleinheit des besagten Betätigungssystems (4) so in eine Reihe von Positionen gebracht wird, dass das besagte Ventil für das Fluid in der besagten Turbine angetrieben wird; – Verarbeitungmittel (5, 6) zur Erfassung eines Satzes von Messparametern (X_K), die jeweils der zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) in der besagten wenigstens einen Stelleinheit des besagten Betätigungssystems (4) gemessenen Position entsprechen, und eines Satzes von Werten des besagten Steuersignals (U(t)) während der besagten Bewegung der besagten wenigstens einen Stelleinheit in der besagten Position, wobei die besagten Verarbeitungsmittel (5, 6) so zur Implementierung eines Algorithmus zur Identifizierung eines Strukturmodells des Betätigungssystems (4) ausgelegt sind, dass auf der Basis der besagten Messparameter (X_K) und Werte (U_K) des besagten Steuersignals (U(t)) ein erster Parameter (n) bestimmt wird, der die Ordnung des dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells andeutet, wobei die besagten Verarbeitungsmittel (5, 6) Kennmittel (5) aufweisen, welche die besagten Messparameter (X_K) und Werte (U_K) des besagten Steuersignals (U(t)) durch Implementieren des besagten Algorithmus zur Identifizierung eines Strukturmodells des Betätigungssystems (4) verarbeiten, wobei der besagte Algorithmus die Methode der kleinsten Quadrate oder die Rekursionsmethode der kleinsten Quadrate oder das Fehlervorausage-Gradientenverfahren implementiert; – Synthesemittel (9) zum Empfang eines Fehlersignals (e(t)) am Eingang, das die Differenz zwischen einer Sollposition (X_d) und wenigstens einer in der besagten wenigstens einen Stelleinheit des Betätigungssystems (4) gemessenen Position (X_K) sowie einen zweiten mit der Einstellung der besagten Schaltfläche (σ(e)) verbundenen Parameter (λ) andeutet; – wobei die besagten Synthesemittel (9) die besagte Schaltfläche (σ(e)) konfigurieren, die zur Regelung der Position der besagten wenigstens einen Stelleinheit des Betätigungssystems (4) als Funktion des besagten Fehlersignals (e(t)) und auf der Basis des ersten Parameters (n) und des besagten zweiten Parameters (λ) durch Implementieren eines auf dem Gleitmodus-Verfahren beruhenden Berechnungsalgorithmus dient.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Synthesemittel (9) zur Konfiguration der Schaltfläche (σ(e)) als Funktion des ersten Parameters (n) und der Anzahl der verfügbaren besagten Positionsmessparameter (X_K) ausgelegt sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Synthesemittel (9) zur Konfiguration einer Schaltfläche (σ(e)) durch Implementieren eines auf einem Gleitmodus-Verfahren erster Ordnung beruhenden Berechnungsalgorithmus ausgelegt ist, und zwar gemäß der folgenden Beziehung: σ(e) = (d/dt + λ)n-1·e(t),wobei n die Ordnung des identifizierten dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells, e(t) das Fehlersignal und λ der zweite Einstellparameter ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Generatormittel (2, 10) zur Bestimmung des Steuersignals (U(t)) zur Steuerung des besagten Betätigungssystems (4) gemäß der folgenden Beziehung: U(t) = –H2sign[σ(e)] ausgelegt sind,wobei H eine vorgegebene Konstante ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Synthesemittel (9) zur Konfiguration einer Schaltfläche (σ(e)) durch Implementieren eines auf einem Gleitmodus-Verfahren zweiter Ordnung beruhenden Berechnungsalgorithmus ausgelegt ist, und zwar gemäß der folgenden Beziehung: σ(e) = (d/dt + λ)n-2·e(t),wobei n die Ordnung des identifizierten dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells, e(t) das Fehlersignal und λ der zweite Einstellparameter ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Generatormittel (2, 10) zur Bestimmung des Steuersignals (U(t)) zur Steuerung des besagten Betätigungssystems (4) gemäß der folgenden Beziehung:
ausgelegt sind, wobei H ein in der Steuerung angenommener vorgegebener Verstärkungsgrad ist, γ und α₀, vorgegebene Größen sind und σ_MAX einem Spitzenwert der Gleitfläche zum Zeitpunkt t entspricht.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Kennmittel (5) zur Implementierung der Methode der kleinsten Quadrate bei den Positionsmessparametern (X_K) und den Werten (U_K) des Steuersignals U(t) zur Schätzung eines dritten Satzes von Parametern (a_i, b_j) für eine Übertragungsfunktion (G(z)) ausgelegt sind, die das Strukturmodell des Betätigungssystems (4) kennzeichnet.
Regelvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Kennmittel (5) Vergleichsmittel (140) aufweisen, die zur Verifizierung, ob die besagten dritten Parameter (a_i, b_j) eine vorgegebene Konvergenzbeziehung erfüllen, ausgelegt sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Verarbeitungsmittel (5, 6) Oberflächengeneratormittel (6) aufweisen, die zur Identifizierung der Anzahl der Pole (α_k) der besagten Übertragungsfunktion (G(z)) und zur Bestimmung der Ordnung (n) des Strukturmodells des besagten Betätigungssystems (4) als Funktion der besagten Anzahl der Pole (α_k) ausgelegt sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Oberflächengeneratormittel (6) am Eingang zum Empfang eines Satzes von Information (H_i) über die zur Steuerung des besagten Betätigungssystems (4) verfügbare elektrische Leistung und/oder die erforderliche Positioniergenauigkeit und/oder die Dynamik des vom Betätigungssystem (4) geforderten Ansprechens ausgelegt sind, wobei die besagten Oberflächengeneratormittel (6) zum Generieren des besagten zweiten Parameters (λ) als Funktion der besagten Information (H_i) ausgelegt sind.
Verfahren zum Betrieb einer selbstanpassenden Regelvorrichtung zur Regelung der Position wenigstens einer Stelleinheit in einem Betätigungssystem (4) zum Antrieb eines Ventils zur Regelung des in einer Gas-, Dampf- oder Wasserturbine strömenden Fluids auf der Basis einer Schaltfläche (σ(e)) gemäß dem Gleitmodus-Steuerverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Schritte umfasst: – derartige Erzeugung eines Steuersignals (U(t)) des besagten Betätigungssystems (4), dass die besagte wenigstens eine Stelleinheit des besagten Betätigungssystems (4) so in eine Reihe von Positionen gebracht wird, dass das besagte Druckventil für das Fluid in der besagten Turbine angetrieben wird; – Erfassung eines Satzes von Messparametern (X_K), die jeweils der zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) in der besagten wenigstens einen Stelleinheit des besagten Betätigungssystems (4) gemessenen Position entsprechen, und der zugehörigen Werte (U_K) des besagten Steuersignals (U(t)) während der Bewegung der besagten wenigstens einen Stelleinheit in der besagten Position; – Verarbeitung (130, 140, 150, 170) der besagten Positionsmessparameter (X_K) und Werte (U_K) des Steuersignals (U(t)) durch derartiges Implementieren eines Algorithmus zur Identifizierung eines Strukturmodells des Betätigungssystems (4), dass ein erster Parameter (n) bestimmt wird, der die Ordnung des dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells andeutet, wobei der besagte Verarbeitungsschritt (130, 140, 150, 170) der besagten Messparameter (X_K) und Werte (U_K) des besagten Steuersignals (U(t)) den Schritt der Implementierung eines Algorithmus gemäß der Methode der kleinsten Quadrate oder der Rekursionsmethode der kleinsten Quadrate oder dem Fehlervoraussage-Gradientenverfahren umfasst; – Bestimmung eines Fehlersignals (e(t)) als Funktion einer Sollposition (X_d) und wenigstens eines Positionsmessparameters (X_K); – Empfang eines zweiten mit der Einstellung der besagten Schaltfläche (σ(e)) verbundenen Parameters (λ); – Konfigurieren (180) der besagten Schaltfläche (σ(e)), die zur Regelung der Position der besagten wenigstens einen Stelleinheit des Betätigungssystems (4) als Funktion des besagten Fehlersignals (e(t)) und auf der Basis des ersten Parameters (n) und des besagten zweiten Parameters (λ) durch Implementieren eines auf dem Gleitmodus-Verfahren beruhenden Berechnungsalgorithmus dient.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration der besagten Schaltfläche (σ(e)) als Funktion der Anzahl der besagten Messparameter (X_K) durchgeführt wird, die den verfügbaren Messpositionen in der besagten wenigstens einen Stelleinheit des besagten Betätigungssystems (4) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Schritt der Konfiguration (180) der besagten Schaltfläche (σ(e)) den Schritt der Implementierung eines auf dem Gleitmodus-Verfahren erster Ordnung beruhenden Berechnungsalgorithmus umfasst, und zwar gemäß der folgenden Beziehung: σ(e) = (d/dt + λ)n-1·e(t),wobei n die Ordnung des identifizierten dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells, e(t) das Fehlersignal und λ der zweite Einstellparameter ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Schritt der Konfiguration (180) der besagten Schaltfläche (σ(e)) den Schritt der Implementierung eines auf dem Gleitmodus-Verfahren zweiter Ordnung beruhenden Berechnungsalgorithmus umfasst, und zwar gemäß der folgenden zweiten Beziehung: σ(e) = (d/dt + λ)n-2·e(t),wobei n die Ordnung des identifizierten dem Betätigungssystem (4) entsprechenden Strukturmodells, e(t) das Fehlersignal und λ der zweite Einstellparameter ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Schritt der Verarbeitung (130, 140, 150, 170) der besagten Messparameter (X_K) und Werte (U_K) des besagten Steuersignals (U(t)) den Schritt der Implementierung der Methode der kleinsten Quadrate zur Schätzung der dritten Parameter (a_i, b_j) für eine Übertragungsfunktion (G(z)) umfasst, die das Strukturmodell des Betätigungssystems (4) kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Schätzung der dritten Parameter (a_i, b_j) für die identifizierte Übertragungsfunktion (G(z)) verifiziert wird, ob die besagten identifizierten dritten Parameter (a_i, b_j) eine vorgegebene Konvergenzbeziehung erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt der Identifizierung der Anzahl der Pole (α_k) der besagten Übertragungsfunktion (G(z)) zur Bestimmung der Ordnung (n) des Strukturmodells des besagten Betätigungssystems (4) als Funktion der besagten Anzahl der Pole (α_k) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt der Bestimmung des besagten zweiten Parameters (λ) als Funktion der zur Steuerung des besagten Betätigungssystems (4) verfügbaren elektrischen Leistung und/oder der erforderlichen Positioniergenauigkeit und/oder der Dynamik des vom Betätigungssystem (4) geforderten Ansprechens umfasst.