WO2009003643A1 - Verfahren und vorrichtung zum abgleich einer regeleinrichtung - Google Patents

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WO2009003643A1
WO2009003643A1 PCT/EP2008/005252 EP2008005252W WO2009003643A1 WO 2009003643 A1 WO2009003643 A1 WO 2009003643A1 EP 2008005252 W EP2008005252 W EP 2008005252W WO 2009003643 A1 WO2009003643 A1 WO 2009003643A1
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control device
functional units
functional unit
filter
determined
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PCT/EP2008/005252
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Ralf Bonefeld
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B5/00—Anti-hunting arrangements
    • G05B5/01—Anti-hunting arrangements electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Definitions

  • the invention is concerned with a method for balancing a first and a second functional unit of a control device as well as with the control device itself on which the method is based.
  • Regulated systems with an integrating branch in the controller exhibit structurally overshoots in the guiding behavior.
  • Such controlled systems are used, for example, in speed-controlled AC servomotors or in pressure-controlled cylinder drives.
  • setpoint filters are used which, depending on their parameterization, can influence the overshoots.
  • the object of the invention is to provide a control device, which ensure an automatic tracking of the additional controller parameters and to provide a method by means of which such automatic tracking can be effected.
  • the object is achieved by means of a method and a control device according to the independent claims.
  • the control device causes a balance for at least two of the control device comprised functional units which are configurable by means of parameterizable eigenvalues, wherein a calculation means is comprised by the control device which determines a measure, which od the relative deviation of the reactions yM and ys ys both functional units to a Command variable change in excitation of both functional units with the same command variable change quantified and determined from the code a correction factor, which is used to parameterize the functional units, where a
  • Correction means is included, to which the correction factor is supplied and which performs a parameterization of the functional units such that this causes a reduction of the relative deviation.
  • the method by which the control device operates is structured in such a way that the characteristic number is determined in a first step.
  • the key figure is determined from the two different responses of both functional units to a reference variable change and quantifies a possible parameter deviation between the two functional units.
  • the correction factor is determined in a second step, wherein the correction factor is used for parameterization of at least one of the two functional units and causes a reduction of the relative deviation.
  • the correction factor could relate to the filter time and / or controller gain K P. It causes a convergence of desire model behavior and system behavior. With a suitable parameterization of the functional units of the control device according to the invention, the overshoots can thus be reduced and the disturbance behavior of the system can be partially decoupled from the guiding behavior.
  • the calculation means of the control device is designed such that a dimensionless correction factor can be determined and by means of the correction means an iterative change of an eigenvalue of at least one functional unit by means of the correction factor is carried out, the correction means as long as correction values processed by the calculation means until the deviation tends to substantially zero or after The specification of a setpoint substantially corresponds to this.
  • control device contains a self-regulating mechanism, which can make an optimization dynamic and adaptive, by means of the above-mentioned parameterization of the functional units of the control loop is automatically adaptable to new conditions at any time.
  • This mechanism could also be non-automatic, i. For example, in mobile hydraulics in speed-controlled axles in construction machines, where an automated control level is either absent or automated axis movements are not acceptable for balancing purposes.
  • the adjustment is started by means of a signal derived from the reference variable change, so that the adjustment can easily be automated.
  • the control device on which the invention is based comprises a triggering means which derives a signal from a command variable change, which signal is fed to the control device and effects the start of the adjustment.
  • the first functional unit may be a setpoint filter implemented as a low-pass filter in the integral branch of the control device and the second functional unit may be the system itself to be controlled, consisting of at least one controller, one controlled system and conventional interference variables.
  • the filter virtually an adjustable model of the system, the adjustment taking place by means of the method according to the invention. It can thus track characteristics such as inertia or hydraulic capacity under certain conditions automatically or semi-automatically derived from the behavior of the controlled system.
  • each functional unit is preceded by a further filter, wherein the filters have an identical filter characteristic and thus allows the targeted reduction of interference.
  • y Mod and ys ys can thus before the
  • Kenniereé be filtered by means of a filter device, which reduces interference.
  • the error determination is based on the comparison variables y M ⁇ d and y Sys , where yMo d and ysy s the transient response of both functional units (here filter / system) at
  • Tf corresponds to an eigenvalue (in some cases the time constant for the PT1 component), by means of which the transient response of at least one of the two functional units can be influenced.
  • the change in the output signal is a measure of the excitation since it measures the deviation between input and output
  • an integrated weighted error IWE (Integrated Weighted Error) is thus initially available according to:
  • Characteristic ratios is that they have a dimension y 2 and are disproportionately dependent on the magnitude of the excitation.
  • a dimensionless, excitation - independent characteristic can be obtained when the IWE functionals are referenced to a functionally similar, but using the system output rather than the error E and using the
  • yM od and ysy s represents the transient response of both functional units when changing the reference variable over time.
  • the symbol y denotes the time derivative of y and T f denotes an eigenvalue, in particular the filter time constant of a low-pass filter, by means of which the transient response of at least one of the Both functional units can be influenced.
  • TO corresponds to an arbitrary start time at which the current time is considered relative.
  • RIWE Relative Integrated Weighted Error
  • a characteristic curve for the characteristic number is determined as a function of the ratio of the eigenvalues of the first and the second functional unit, which characteristic is in particular at least partially linearized in the region in which the index tends to zero.
  • the control device therefore includes a means for deriving a characteristic curve for the characteristic number as a function of the eigenvalues of the functional units and preferably comprises a memory means in which this characteristic is stored and to which the control device has access.
  • FIG. 2 shows such a characteristic by way of example.
  • the application of the RIWE function has been applied to two ideal first-order systems.
  • the result is a characteristic curve of the error function as a function of the ratio of the time parameters Ts ys / T mod of the systems compared.
  • the determination of the correction factor by means of the characteristic now preferably takes place by successive approximation within a defined value range of the characteristic and limiting the characteristic outside this value range.
  • a rule for the correction estimate may be, for example:
  • the method preferably comprises the following steps:
  • this new determination of the characteristic RIWE is performed by evaluating the characteristic with the new ratio of T Mod / T S ys.
  • the repetition of the previous steps is carried out until the index tends to substantially zero or according to a setpoint substantially corresponds to this setpoint.
  • the setpoint will be chosen so that a negligible error occurs.
  • FIG. 1 The course of such an iteration is shown by way of example in FIG.
  • the picture shows the inverse characteristic of RIWE represented by the quotient T M ⁇ d / Tsys:
  • the third step described above comprises the following substeps
  • the start of the adjustment can thus be started without a separate start signal having to be generated at the control level.
  • a parameter adaptation is e.g. also possible in systems in which the guidance signal is generated manually.
  • speed setpoints are mentioned in mobile machines. Any desired value curves must be taken into account here.
  • the second derivative x of the reference variable x could be selected. This is in the speed control of the jerk. This means that a trigger signal can also be generated directly after the start of a block in block mode position-controlled drives (with jerk or acceleration limitation).
  • the trigger algorithm may include, for example, the following steps:
  • Trigger value where k-1 should represent the previous value.
  • the result of the evaluation is rejected if the change in the system output variable over the entire evaluation period has a different sign than the change in the input variable. This clearly indicates that the system is being stimulated
  • the trigger means of the control device according to the invention is designed for these purposes such that it determines the system noise level during a comparison, automatically a threshold value depending on the determined System noise level sets the local maximum of one of
  • the control device of an electrically operated machine in particular a speed-controlled drive, operates with the method according to the invention.
  • the denominator functional is proportional to the sum of the amount of kinetic power of the drive.
  • the summed weighted deviation of the velocities of model y Mod and real drive ys ys is related to the total energy applied to the speed change of the drive. This value also includes power values that arise due to disturbing forces. So join during an analysis period
  • the parameter "a” stands for the acceleration, "F” for the force, "m” for the mass and “P” for the power, "v” for the speed.
  • the method according to the invention and the device according to the invention preferably relate to systems of the first order, whereby a fully or semi-automatic realization is conceivable. Further aspects of the invention will become apparent from the following
  • the method according to the invention determines a correction value on the basis of time profiles of the filter output and the controlled variable in a specific time period after excitation by setpoint change, which can be used for parameter correction in such a way that the model and system behavior are equalized. Controller adaptation and parameter identification are possible with this method.
  • Figure 1 shows a detail of the signal flow plan of a PI controller, which comprises a proportional branch 1, a filter 2 and an integral branch 3. Additionally indicated is the controlled system 4 and disturbance variables 6.
  • a low-pass filter of the first order 5 is introduced here for the desired value 5, which compensates the zero position of the transfer function of the complete arrangement with suitable parameterization of the delay time 7. This measure has both positive effects on the reaction rate with respect to the leadership behavior as well as with respect to the reduction of the disturbance behavior.
  • the PI control loop could also be cascaded with another control loop, e.g. a position controller for electric servo axes.
  • model behavior can also be applied to the real response time T M of the speed-regulated drive or the change of the Regulator gain K P be resorted to.
  • the inventive method solves the parameterization on a numerical way.
  • the method could, for example, be realized by means of a drive-integrated control or by means of drive-integrated or external control.
  • the adjustment could for example be applied to the speed control or position control of a drive. Jumps as well as ramps with velocity and acceleration limitation as well as arbitrary setpoint signals from a higher-level controller cascade are available as excitation modes for simulating a change in the position of the drive.
  • a shutdown window could be implemented which prevents the adoption of a newly identified parameter if it deviates less than a certain percentage, for example 0.5%, from the current parameter value.

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Abstract

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Regeleinrichtung anzugeben, welche eine automatischen Nachführung zusätzlicher Reglerparameter sicherstellen sowie ein Verfahren anzugeben, welches diese automatische Nachführung bewirkt. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich einer ersten 2 und einer zweiten Funktionseinheit 1,3,4,6 einer Regeleinrichtung, wobei in einem ersten Schritt eine Kennzahl ermittelt wird, welche die relative Abweichung der Reaktionen yMod und ySys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und wobei in einem zweiten Schritt aus der Kennzahl ein Korrekturfaktor ermittelt wird, welcher zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten 1,2,3,4,6 dient und welcher eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Der Vorteil besteht darin, dass der Regelkreis jederzeit an neue Gegebenheiten automatisch adaptierbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich einer Regeleinrichtung
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Abgleich einer ersten und einer zweiten Funktionseinheit einer Regeleinrichtung sowie mit der zur Ausführung des Verfahrens zugrundeliegenden Regeleinrichtung selbst.
Geregelte Systeme mit integrierendem Zweig im Regler weisen strukturbedingte Überschwinger im Führungsverhalten auf. Solche geregelten Systeme kommen beispielsweise bei drehzahlgeregelten AC-Servomotoren oder auch bei druckgeregelten Zylinderantrieben zum Einsatz. Um diese Überschwinger zu reduzieren werden beispielsweise Sollwertfilter eingesetzt, welche abhängig von ihrer Parametrierung die Überschwinger beeinflussen können.
Derartige Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass mit der Filterverzögerungszeit ein zusätzlicher Reglerparameter vorliegt, welcher während des Betriebes nachgeführt werden muss, da sich jederzeit die peripheren Gegebenheiten (Regelstreckenparameter) ändern können.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Regeleinrichtung anzugeben, welche eine automatischen Nachführung der zusätzlichen Reglerparameter sicherstellen sowie ein Verfahren anzugeben mittels dessen eine solche automatische Nachführung bewirkt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens und einer Regeleinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die Regeleinrichtung bewirkt einen Abgleich für zumindest zwei von der Regeleinrichtung umfasste Funktionseinheiten, welche mittels parametrierbarer Eigenwerte konfigurierbar sind, wobei ein Berechnungsmittel von der Regeleinrichtung umfasst ist, welches eine Kennzahl ermittelt, welche die relative Abweichung der Reaktionen yMod und ysys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und aus der Kennzahl einen Korrekturfaktor ermittelt, welcher zur Parametrierung der Funktionseinheiten dient, wobei ein
Korrekturmittel umfasst ist, dem der Korrekturfaktor zugeführt ist und welches eine Parametrierung der Funktionseinheiten derart vornimmt, dass dies eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Das Verfahren, nach dem die Regeleinrichtung arbeitet, ist dabei so strukturiert, dass die Kennzahl in einem ersten Schritt ermittelt wird. Die Kennzahl wird aus den beiden unterschiedlichen Antworten beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung ermittelt und quantifiziert eine mögliche Parameterabweichung zwischen beiden Funktionseinheiten. Aus dieser Kennzahl wird in einem zweiten Schritt der Korrekturfaktor ermittelt, wobei der Korrekturfaktor zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten dient und eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Der Korrekturfaktor könnte sich auf die Filterzeit und/oder Reglerverstärkung KP beziehen. Er bewirkt einer Konvergenz von Wunschmodellverhalten und Systemverhalten. Bei einer geeigneten Parametrierung der Funktionseinheiten der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung können somit die Überschwinger reduziert und das Störungsverhalten des Systems vom Führungsverhalten teilweise entkoppelt werden.
Das Berechnungsmittel der Regeleinrichtung ist derart ausgebildet, dass ein dimensionsloser Korrekturfaktor ermittelbar und mittels des Korrekturmittels eine iterative Änderung eines Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors durchführbar ist, wobei das Korrekturmittel solange Korrekturwerte vom Berechnungsmittel verarbeitet, bis die Abweichung im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem im wesentlichen entspricht.
Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Regeleinrichtung einen selbstregelnden Mechanismus enthält, welcher eine Optimierung dynamisch und adaptiv vornehmen kann, indem mittels der oben erwähnten Parametrierung der Funktionseinheiten der Regelkreis jederzeit automatisch an neue Gegebenheiten anpassbar ist. Dieser Mechanismus könnte auch nichtautomatisch, d.h. händisch gestartet werden, beispielsweise in der Mobilhydraulik bei geschwindigkeitsgeregelten Achsen in Baumaschinen, wo eine automatisierte Steuerungsebene entweder nicht vorhanden ist oder automatisierte Achsbewegungen zu Abgleichszwecken nicht akzeptabel sind.
Vorzugsweise startet man im Rahmen eines dritten Verfahrensschrittes mittels eines aus der Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals den Abgleich, so dass der Abgleich leicht automatisierbar ist. Dies könnte so realisiert werden, dass die der Erfindung zugrundeliegende Regeleinrichtung ein Triggermittel umfasst ist, welches aus einer Führungsgrößenänderung ein Signal ableitet, welches der Regeleinrichtung zugeführt ist und den Start des Abgleichs bewirkt. Konkret kann es sich bei der ersten Funktionseinheit um einen als Tiefpass realisierten Sollwertfilter im Integralzweig der Regeleinrichtung handeln und bei der zweiten Funktionseinheit um das zu regelnde System selbst, bestehend aus zumindest einem Regler, einer Regelstrecke und üblichen Störgrößen.
Dadurch bedingt, dass das Signal am Filterausgang und die Regelgröße des realen Systems identisch sind, wenn die Störungen am realen System verschwindend sind, stellt das Filter quasi ein abgleichbares Modell des Systems dar, wobei der Abgleich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt. Es können somit Streckenkenngrößen wie Trägheiten oder hydraulische Kapazitäten unter gewissen Randbedingungen automatisiert oder teilautomatisiert aus dem Verhalten des geregelten Systems abgeleitet werden.
Vorzugsweise ist jeder Funktionseinheit ein weiteres Filter vorgeschaltet, wobei die Filter eine identische Filtercharakteristik aufweisen und somit die gezielte Reduzierung von Störeinflüssen erlaubt. yMod und ysys können somit vor der
Kennzahlermittlung mittels einer Filtervorrichtung gefiltert werden, was Störungen reduziert.
Die Fehlerermittlung basiert auf den Vergleichsgrößen yMθd und ySys , wobei yMod und ysys das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten (hier Filter/System) bei
Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet darstellt. Mittels der Integration wird ein Fehlersignal E = yMod-ysys über einen Referenzzeitraum Tf summiert. Tf entspricht einem Eigenwert (z.T. Zeitkonstante bei PT1 -Glied), mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist.
Für das vorliegende Problem wurde ein Ansatz der Gewichtung gewählt, der vornehmlich auf die Robustheit des Algorithmus gegen Störeinflüsse abzielt. Dabei liegen folgende Überlegungen zu Grunde: Störungen wirken nur auf das reale System und beeinflussen somit ysys- Auf das Modell und damit yMόd hingegen wirken Störgrößen nicht ein. Ein Fehlersignal E ist um so sicherer eine Folge des Führungssignals, je höher die Anregung des Systems durch das Führungssignal ist, weil dann die Amplitude der Störgrößen vernachlässigbar wird.
In einem System erster Ordnung (PT1 ) ist die Änderung des Ausgangssignals ein Maß für die Anregung, da sie die Abweichung zwischen Eingang- und
Ausgangssignal wiedergibt gemäß: yMod = (x - yMoά ) . Das Fehlersignal E wird dementsprechend mit der Größe y Moύ gewichtet, denn y Mod ändert sich proportional zur Intensität der Führungsgröße. Die Wichtung des Fehlersignals E durch Multiplikation mit dem Betrag von y Mod stellt sicher, dass Fehler nicht bewertet werden, solange keine Führungsgrößenänderung vorliegt.
Zur Fehlerauswertung liegt damit zunächst ein integrierter gewichteter Fehler IWE (Integrated Weighted Error) vor gemäß:
(I) IWE {yMod - ySys)- dt oder
(2) IWE
Figure imgf000006_0001
yMod - ySys )- dt
Es handelt sich um ein spezielles Fehlerfunktional zur Ermittlung dynamischer Kennwerte eines regelungstechnischen Systems auf Basis von Zeitreihen nach Anregung des Systems. Der Unterschied beider Funktionale liegt darin, dass bei Funktional (1 ) IWE unter Berücksichtigung eines frei wählbaren Anfangszeitpunktes TO ermittelt wird, wobei bei Funktional (2) IWE unter Berücksichtigung des Startzeitpunktes TO = 0 erfolgt. Funktional (2) stellt damit einen Sonderfall des Funktionais (1 ) dar.
Der Nachteil der Funktionale (1 ) oder (2) in Hinblick auf die Ermittlung von
Kenngrößenverhältnissen ist, dass sie eine Dimension y2 aufweisen und damit überproportional abhängig von der Höhe der Anregung sind. Ein dimensionsloser, anregungsunabhängiger Kennwert kann erzielt werden, wenn die IWE - Funktionale auf ein Funktional bezogen werden, das ganz ähnlich, jedoch unter Verwendung der Systemausgangsgröße anstatt des Fehlers E und unter Verwendung der
Änderungsgeschwindigkeit des Systemausgangs anstatt des Modellausgangs gemäß
oder
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000006_0003
)• dt oder
T0 +JtT7
(5) J>V -4>V dt ermittelt wird. Die Signumfunktion im Falle (3) und (4) stellt sicher, dass die Richtung des Fehlers unabhängig von der Richtung der Anregung ist. Durch Verwendung der Systemantwort ysys zur Normierung des Fehlerfunktionais wird außerdem eine weitere Stabilisierung gegenüber Störungen erreicht. Mittels der Verwendung von AySvs = ySys - ySys(t = T0) im Falle (5) erreicht man die Berücksichtigung der
Gesamtzustandsänderung des Systems oder im Falle (4) die totale Zustandsänderung des Systems. Mittels der Normierung erreicht man die Entkopplung des Ergebnisses von der Anregungsform und Anregungshöhe. Die Normierung bezüglich der totalen Zustandsänderung bewertet bei verrauschten Signalen den Fehler geringer, d.h. es resultiert eine gute Störstabilität. Die
Normierung auf die Gesamtzustandsänderung konvergiert schneller (siehe später).
Insgesamt ergeben sich folgende alternative Funktionale zur Ermittlung der Kennzahl, mittels derer eine Kennzahl für Korrekturen ableitbar ist:
iß) Kennzahl oder
Figure imgf000007_0001
Ta+x T,
J yMod ■ (y Mod - y vJ- dt
(7) Kennzahl = r° . oder
\ ySys - ΔySys - dt
(8)Kennzahl =
Figure imgf000007_0002
yMod und ysys stellt das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet dar. Das Symbol y kennzeichnet jeweils die zeitliche Ableitung von y und Tf kennzeichnet einen Eigenwert, insbesondere die Filterzeitkonstante eines Tiefpasses, mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist. x steht für ein Vielfaches des Eigenwertes, vorzugsweise für einem Wert um 2*Pi, und es gilt ΔySvs = ySvs - ySvs(t = T0) , d.h. es wird nun die Systemänderung zwischen zwei
Zeitpunkten betrachtet, wobei TO einem frei wählbaren Startzeitpunkt entspricht, zu dem der aktuelle Zeitpunkt relativ betrachtet wird.
Diese Kennzahl wird als relativer integrierter gewichteter Fehler (RIWE = Relative Integrated Weighted Error = Korrekturfaktor) bezeichnet.
Zur Vereinfachung des Abgleichs wird eine Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit vom Verhältnis der Eigenwerte der ersten und der zweiten Funktionseinheit ermittelt, welche Kennlinie insbesondere zumindest teilweise in dem Bereich linearisiert wird, in dem die Kennzahl gegen Null tendiert. Die Regeleinrichtung beinhaltet daher ein Mittel zur Ableitung einer Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit der Eigenwerte der Funktionseinheiten und umfasst vorzugsweise ein Speichermittel in dem diese Kennlinie abgelegt ist und auf das die Regeleinrichtung Zugriff hat.
Figur 2 zeigt eine solche Kennlinie beispielhaft.
Die Anwendung des RIWE-Funktionals wurde hier auf zwei ideale Systeme erster Ordnung angewendet. Es ergibt sich eine Kennlinie des Fehlerfunktionais in Abhängigkeit vom Verhältnis der Zeitparameter Tsys/TMod der verglichenen Systeme.
Die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels der Kennlinie erfolgt nun vorzugsweise durch sukzessive Approximation innerhalb eines definierten Wertebereiches der Kennzahl und Begrenzung der Kennzahl außerhalb dieses Wertebereiches.
Eine Vorschrift für die Korrekturschätzung kann beispielsweise lauten:
UntererWert RJWE < untererRWIEGrenzwert
1 Mod 1 + Steigung RIWE fiir untererRIWEGrenzwert ≤ RIWE < obererRIWEGrenzwer
' Sys 'Schatz Oberer Wert RIWE > obererRIWE Grenzwert
Unterschreitet RIWE den unteren RIWE Grenzwert, so wird TMoCι/Tsys auf einen unteren Wert fixiert. Überschreitet RIWE den oberen RIWE Grenzwert, so wird Twiod/Tsys auf einen oberen Wert fixiert. Innerhalb der RIWE Grenzwerte wird eine Gerade mit einer definierten Steigung an den optimalen Wert ΪMod/Tsys = 1 , wo auch RIWE = 0 ist, gelegt. Hier stellt sich ein Fehler von Null ein, d.h. das System und das Modell sind abgeglichen.
Mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise können bei Abweichungen die Modell- und Systemparameter leicht iterativ geändert werden, solange bis Modell und Systemverhalten schließlich im wesentlichen identisch sind. Daher umfasst das Verfahren vorzugsweise folgende Schritte:
Zuordnung der aktuellen Kennzahl zu relativ zueinander bezogenen Eigenwerten von Funktionseinheiten, mittels derer die Kennzahl ermittelt wurde. Im obigen Beispiel
Figure imgf000009_0001
Ermittlung eines Korrekturfaktors durch Auswertung oder Ablesen aus der Kennlinie. Es wird hierbei ermittelt welche Änderung TMod/Tsys erfahren muss, um RIWE zu reduzieren.
Änderung eines Eigenwertes (hier TMθd oder Tsys) zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors.
Aus der hieraus resultierenden Änderung von RIWE ergibt sich konsequenterweise eine erneute Änderung des Faktors TMod/Tsys. In einem weiteren Schritt wird diese Neuermittlung der Kennzahl RIWE durch Auswertung der Kennlinie mit dem neuen Verhältnis von TMod/TSys durchgeführt.
Die Wiederholung der vorherigen Schritte erfolgt solange, bis die Kennzahl im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem Sollwert im wesentlichen entspricht. Der Sollwert wird so gewählt sein, dass sich ein vernachlässigbarer Fehler einstellt.
Der Ablauf einer solchen Iteration ist beispielhaft in Figur 3 gezeigt. Das Bild zeigt die inverse Kennlinie von RIWE dargestellt über den Quotienten TMθd/Tsys:
Die Kurve wurde um RIWE = 0 linearisiert und wie folgt begrenzt:
Figure imgf000010_0001
Das Verfahren konvergiert innerhalb von wenigen Schritten. Je weniger Anforderungen an die Höhe der Abweichung gestellt werden, desto weniger Iterationsschritte sind erforderlich.
Die Auswertung erfolgt wie nachfolgend beschrieben (alle Zahlenwerte sind ca. - Angaben):
RIWE liegt anfänglich bei - 0,33 und ΪMod/Tsys liegt anfänglich bei 0,5. Da ΪMod/Tsys außerhalb des linearisierten Bereiches liegt, wird von der unteren Begrenzungslinie (0,6) aus betrachtet eine Änderung von TMθd/Tsys vorgenommen durch Modifikation einer oder beider Parameter innerhalb einer Funktionseinheit. Der Quotient ändert sich somit auf TM0Cj/Tsys = 0,8. Hierbei stellt sich anhand der RIWE-Kennlinie ein RWIE = - 0,1 ein, was gegenüber RIWE = - 0,33 bereits einer massive
Fehlerreduzierung bewirkt. Da für den Quotienten TMod/TSys = 0,8 bereits der linearisierte Bereich der Kennlinie relevant ist, wird ausgehend von dieser Kennline TMod/Tsys weiter modifiziert, d.h. die RIWE-Kennlinie wird von nun an nicht mehr betrachtet. An den Kennlinien kann man nun ablesen, dass sich für ΪMod/Tsys annähernd der Faktor 1 einstellt, wobei RWIE hier im wesentlichen gegen Null tendiert. Mittels weniger Iterationsschritte wäre hierbei also der Fehler weitestgehend eliminiert worden. Sofern es erforderlich ist können weitere Iterationsschritte die Annäherung an RIWE = 0 bewirken, je nachdem welche Genauigkeit gewünscht ist. Je nach Wahl eines der Zählerfunktionale (3) bis (5) erreicht man schnellere oder störstabilere Ergebnisse. Mit zunehmender Erwartungshaltung bezüglich der
Reduzierung von RIWE steigt jedoch die Anzahl der Iterationsschritte und damit auch der Rechenaufwand und der Zeitaufwand.
Vorzugsweise umfass der weiter oben beschriebene dritte Schritt folgende Teilschritte
a) Ermittlung des Systemrauschpegels während des Abgleichs, b) Festlegung eines Schwellwertes, welcher über dem Systemrauschpegel liegt, c rm tt ung es o a en ax mums es igna s er em c we wer , d) Neustart des Abgleichs
Dies ermöglicht es ein Triggersignal aus einer Führungsgrößenänderung nur dann abzuleiten, wenn dieses Triggersignal über dem Systemrauschpegel liegt.
Der Beginn des Abgleichs kann somit gestartet werden, ohne dass ein gesondertes Startsignal auf Steuerungsebene generiert werden muss. So ist eine Parameteradaption z.B. auch in Systemen möglich, in denen das Führungssignal händisch erzeugt wird. Als Beispiel seien Geschwindigkeitssollwerte in mobilen Arbeitsmaschinen genannt. Hier müssen beliebige Sollwertverläufe berücksichtigt werden. Als auszuwertendes Triggersignal könnte die zweite Ableitung x der Führungsgröße x gewählt werden. Dies ist im Geschwindigkeitsregler der Ruck. Damit kann auch im Satzbetrieb Positionsgeregelter Antriebe (mit Ruck- oder Beschleunigungsbegrenzung) ein Triggersignal unmittelbar nach Start eines Satzes generiert werden.
Der Triggeralgorithmus kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- Erkennung eines lokalen Maximums von x (zweite Ableitung der Führungsgröße) gemäß der Vorschrift xk < Jc4., Λ Jct_, > xt_2 und Merken des
Triggerwertes, wobei k-1 jeweils den vorhergehenden Wert darstellen soll.
- Rücksetzen des Abgleiche, wenn während der Laufzeit ein höherer Triggerwert erkannt wird.
- Bildung eines durchschnittlichen Niveaus des Triggersignals als arithmetisches Mittel des Betrags aller Einzelwerte über den Abgleichzeitraum als Basis für eine Rauschunterdrückung.
- Start der Auswertung, wenn der Triggerwert das X-fache des Rauschpegels der vorherigen Auswertung überschreitet.
Als zusätzliche Stabilisierungsmaßnahme wird das Ergebnis der Auswertung verworfen, wenn die Änderung der Systemausgangsgröße über den gesamten Auswertezeitraum ein anderes Vorzeichen aufweist als die Änderung der Eingangsgröße. Dies deutet nämlich eindeutig auf eine Anregung des Systems durch
Störgrößen hin.
Das Triggermittel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist zu diesen Zwecken derart ausgebildet, dass es den Systemrauschpegel während eines Abgleichs ermittelt, automatisch einen Schwellwert abhängig vom ermittelten Systemrauschpegel festlegt, das lokale Maximums eines von einer
Führungsgrößenänderυng abgeleiteten Signals feststellt und den Start des Abgleichs abhängig vom ermittelten Maximum realisiert.
Vorzugsweise arbeitet die Regeleinrichtung einer elektrisch betriebenen Maschine, insbesondere ein geschwindigkeitsgeregelter Antrieb, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. In einem geschwindigkeitsgeregelten Antrieb verhält sich das Nennerfunktional proportional zur Summe des Betrags der kinetischen Leistung des Antriebs.
Figure imgf000012_0001
An diesem Zusammenhang kann physikalisch verdeutlicht werden, wie das Nennerfunktional die Robustheit des Gesamt-Fehlerfunktionals erhöht: Die summierte gewichtete Abweichung der Geschwindigkeiten von Modell yMod und realem Antrieb ysys wird bezogen auf die gesamte für die Geschwindigkeitsänderung des Antriebs aufgebrachte Energie. In diesen Wert gehen auch Leistungswerte ein, die durch Störkräfte entstehen. Treten also während eines Analysezeitraums
Störungen auf, so wird das Gesamtfunktional RIWE entsprechend kleiner; der Fehler damit geringer bewertet. Es ist somit die Identifikation der effektiven Antriebsträgheit möglich. Der Parameter „a" steht dabei für die Beschleunigung, „F" für die Kraft, „m" für die Masse und „P" für die Leistung, „v" für die Geschwindigkeit.
Sinngemäß gilt dies auch für hydraulisch betriebene Maschinen, insbesondere für druckgeregelte und ventilgesteuerte Zylinder oder geschwindigkeitsgeregelte und ventilgesteuerte Zylinderantriebe. Es ist zum Beispiel außerdem die Identifikation der hydraulischen Kapazität basierend auf der Messung von Druckänderungen beziehungsweise Volumenänderungen möglich
Auch für die Verwendung von pneumatisch betriebene Maschinen oder Hybridmaschine, welche sich mehrerer zuvor genannter Prinzipien bedienen, ist die Erfindung vorteilhaft.
Vorzugsweise bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Systeme erster Ordnung, wobei eine voll- oder halbautomatische Realisierung denkbar ist. Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Figurenbeschreibung. Diese zeigt ein PI - geregeltes System, welches prinzipbedingt überschwingendes Führungsverhalten aufweist. Dies wurde durch Einführung eines Sollwertfilters in den Integral-Zweig des Reglers verhindert. Der eingesetzte Filter kann unter Berücksichtigung der Erläuterungen weiter oben, als Modell des Systems mit Proportionalregler angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt einen auf der Basis von Zeitverläufen des Filterausgangs und der Regelgröße in einem bestimmten Zeitraum nach Anregung durch Sollwertänderung einen Korrekturwert, der zur Parameterkorrektur so eingesetzt werden kann, dass sich Modell- und Systemverhalten angleichen. Mit diesem Verfahren sind Regleradaption und Parameteridentifikation möglich.
Im Detail zeigt die Figur 1 ausschnittsweise den Signalflussplan eines Pl-Reglers, welcher einen Proportionalzweig 1 , einen Filter 2 und einen Integralzweig 3 umfasst. Zusätzlich angedeutet ist die Regelstrecke 4 und Störgrößen 6. Im Integral-Zweig des Reglers ist hier ein Tiefpassfilter erster Ordnung für den Sollwert 5 eingeführt, der bei geeigneter Parametrierung der Verzögerungszeit 7> die Nullstelle der Übertragungsfunktion der Komplettanordnung kompensiert. Diese Maßnahme hat sowohl positive Auswirkungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit bzgl. des Führungsverhaltens als auch bezüglich der Reduzierung des Störverhaltens. Dem Pl-Regelkreis könnte außerdem ein weiterer Regelkreis aufkaskadiert werden, z.B. ein Positionsregler für elektrische Servoachsen.
Die geeignete Filterparametrierung für das hier verwendete Beispiel ergibt sich zu:
T - T - 1 m m
~ ι M -
2 D ωn d K1
Für den vorteilhaften Fall einer Parametrierung des Filters entsprechend dieser Gleichung sind Führungsverhalten von Filter (Modell) und System (Regelkreis ohne Filter) identisch. Da Filter- und Streckenverhalten nicht voneinander abweichen, ergibt sich kein Stellwert im I-Zweig. Mittels der Filterparametrierung wird somit eine Minimierung der Abweichung zwischen einem Modell (Filter) und dem realen System realisiert. Ob dabei die Minimierung der Abweichung durch Anpassung des Modells (Filterparametrierung) oder des Systems (Reglerparametrierung) erfolgt, ist in diesem Zusammenhang sekundär. Das heißt: Zum Abgleich von System- und
Modellverhalten kann neben der Anpassung der Zeitkonstanten Tf des Filters auch auf die reale Antwortzeit TM des drehzahlgeregelten Antriebs oder die Änderung der Reglerverstärkung KP zurückgegriffen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Parametrierung auf numerischem Weg. Das Verfahren könnte beispielsweise mittels einer antriebsintegrierten Steuerung realisiert werden oder mittels antriebsintegrierter oder externer Regelung. Der Abgleich könnte beispielsweise auf die Drehzahlregelung oder Positionsregelung eines Antriebs angewendet werden. Als Anregungsformen zur Simulation einer Fϋhrungsgrößenänderung stehen Sprünge sowie für den Positionierbetrieb Rampen mit Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbegrenzung sowie beliebige Sollwertsignale aus einer übergeordneten Reglerkaskade zur Verfügung. Weiterhin könnte ein Abschaltfenster realisiert werden, das die Übernahme eines neu identifizierten Parameters verhindert, wenn er weniger als ein festzulegender Prozentsatz, beispielsweise 0,5 %, vom aktuellen Parameterwert abweicht.
Zusammenfassung der verwendeten Symbolik:
x - Drehzahlsollwert (Führungsgröße) xo - Drehzahlistwert
F0 - Stellgröße
FL - Störgröße
Kp- Verstärkungsfaktor (Proportionalglied)
KM Drehmomentkonstante m - Masse
Tj - Integriergliedzeitkonstante
Tf - Filterzeitkonstante (PT1)
TM - Systemantwortzeit
U - Spannung yMod - Systemantwort des Modells auf sich ändernde Führungsgröße ySys - Systemantwort des Regelsystems auf sich ändernde Führungsgröße ΔySys - Gesamtänderung der Systemantwort des Regelsystems yMod - Ableitungen der Modellsystemantwort ySys - Ableitungen der Regelsystemantwort

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abgleich einer ersten (2) und einer zweiten (1 ,3,4,6) Funktionseinheit einer Regeleinrichtung, wobei in einem ersten Schritt eine Kennzahl ermittelt wird, welche die relative Abweichung der Reaktionen yMod und ysys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und wobei in einem zweiten Schritt aus der Kennzahl ein Korrekturfaktor ermittelt wird, welcher zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten dient und welcher eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in einem dritten Schritt mittels eines aus der Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals der Abgleich gestartet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der ersten Funktionseinheit (2) um einen Filter handelt, vorzugsweise um einen Tiefpass erster Ordnung, und wobei es sich bei der zweiten Funktionseinheit (1 ,3,4,6) um das Regelsystem selbst handelt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei yMod und ysys vor der Kennzahlermittlung mittels einer Filtervorrichtung gefiltert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 4, wobei die Kennzahl nach einer der folgenden Vorschriften ermittelt wird:
Kenmahl oder
Figure imgf000017_0001
oder
Figure imgf000017_0002
wobei yMod und ysys das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet darstellt, das Symbol y jeweils die zeitliche Ableitung von y kennzeichnet und Tf einem Eigenwert einer ersten Funktionseinheit, insbesondere der Filterzeitkonstanten eines Tiefpasses (2) entspricht, mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist und wobei x für ein Vielfaches des Eigenwertes steht und vorzugsweise einem Wert um 2*Pi entspricht, und wobei ΔJV = JV - JV(/ = 7o) ist > w°bei TO einem frei definierbaren Startzeitpunkt entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit vom Verhältnis der Eigenwerte der ersten und der zweiten Funktionseinheit (1 ,2,3,4,6) ermittelt wird, welche Kennlinie insbesondere zumindest teilweise in dem Bereich linearisiert wird, in dem die Kennzahl gegen Null tendiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels der Kennlinie durch sukzessive Approximation erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei folgende Schritte umfasst sind: a) Zuordnung der aktuellen Kennzahl zu Eigenwerten von Funktionseinheiten (1 ,2,3,4,6), b) Ermittlung des Korrekturfaktors, c) Änderung des Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit (1 ,2,3,4,6) mittels des Korrekturfaktors, d) Neuermittlung der Kennzahl, e) Wiederholung der Schritte a) bis d) bis die Kennzahl im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem Sollwert im wesentlichen entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8 , wobei der dritte Schritt folgende Teilschritte umfasst: a) Ermittlung des Systemrauschpegels während des Abgleichs, b) Festlegung eines Schwellwertes, welcher über dem System rauschpege I liegt, c) Ermittlung des lokalen Maximums des Signals, welches über dem Schwellwert liegt, d) Neustart des Abgleichs bei neuem lokalen Maximum.
10. Regeleinrichtung mit Abgleich für zumindest zwei von der Regeleinrichtung umfasste Funktionseinheiten (1 ,2,3,4,6), welche mittels parametrierbarer Eigenwerte konfigurierbar sind, wobei ein Berechnungsmittel umfasst ist, welches eine Kennzahl insbesondere gemäß Anspruch 5 ermittelt, welche die relative Abweichung der Reaktionen yMod und ysys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten (1 ,2,3,4,6) mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und aus der Kennzahl einen Korrekturfaktor ermittelt, welcher zur Parametrierung der Funktionseinheiten dient, wobei ein Korrekturmittel umfasst ist, dem der Korrekturfaktor zugeführt ist und welches eine Parametrierung der Funktionseinheiten derart vornimmt, dass dies eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
11. Regeleinrichtung nach Anspruch 10, wobei ein Triggermittel umfasst ist, welches aus einer Führungsgrößenänderung ein Signal ableitet, welches der Regeleinrichtung zugeführt ist und den Start des Abgleiche bewirkt.
12. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , wobei das Berechnungsmittel derart ausgebildet ist, dass ein dimensionsloser Korrekturfaktor ermittelbar ist und das Korrekturmittel derart ausgebildet ist, dass eine iterative Änderung eines Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors durchführbar ist, wobei das Korrekturmittel solange Korrekturwerte vom Berechnungsmittel verarbeitet, bis die Abweichung im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem im wesentlichen entspricht.
13. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Mittel zur Ableitung einer Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit der Eigenwerte der
Funktionseinheiten (1 ,2,3,4,6) umfasst ist.
14. Regeleinrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Speichermittel umfasst ist, in dem die Kennlinie abgelegt ist und auf das die Regeleinrichtung Zugriff hat.
15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Triggermittel derart ausgebildet ist, dass es den Systemrauschpegel während eines Abgleichs ermittelt, automatisch einen Schwellwert abhängig vom ermittelten Systemrauschpegel festlegt, das lokale Maximums eines von einer Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals feststellt und den Start des Abgleichs abhängig vom ermittelten Maximum realisiert.
16. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei jeder Funktionseinheit ein Filter nachgeschaltet ist, wobei die Filter im wesentlichen identische Filtereigenschaften aufweisen.
17. Elektrisch betriebene Maschine, insbesondere Antrieb, mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
18. Hydraulisch betriebene Maschine, insbesondere druckgeregelter Zylinder oder geschwindigkeitsgeregelter Zylinderantrieb, mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
19. Pneumatisch betriebene Maschine mit Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
20. Hybridmaschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19.
21. Antriebssteuerung, vorzugsweise mit integrierter SPS, welche ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.
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