DE10309670A1

DE10309670A1 - Regelvorrichtung

Info

Publication number: DE10309670A1
Application number: DE2003109670
Authority: DE
Inventors: Johann GÖRZEN; Günther Prof. Dr. Brandenburg; Michael Schramm
Original assignee: MAN Roland Druckmaschinen AG
Current assignee: Manroland AG
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung mit welcher periodische Störungen ausgeregelt und/oder kompensiert werden können. DOLLAR A Die Regelvorrichtung beseht aus einem Antrieb (4) mit Drehzahl- und Lageregelung (3.1) sowie unterlagerter Drehmomentregelung (3.1) unter Verwendung eines motorseitigen Drehgebers (4.2), aus dessen Signalen die motorseitigen Größen Drehwinkel, Drehzahl und Beschleunigung bestimmbar sind, wobei das Antriebssystem noch einen Sollwertgenerator (2) und einen Stromrichter (3.2) umfasst und mittels eines Beobachters (7) lastseitige Daten (n) berechenbar sind, der Beobachter (7) eingangsseitig mit dem motorseitigen Regler (3.1), dem Stromrichter (3.2) und dem motorseitigen Drehgeber (4.2) und ausgangsseitig mit einem lastseitigen Regler (8) verbindbar ist, wobei der Beobachter (7) den lastseitigen Schleppfehler (o) aus dem antreibsseitigen Schleppfehler (e) und dem Torsionswinkel der Antriebswelle berechnet, dem lastseitigen Regler (8) Größen, insbesondere eine Soll-Drehzahl (b) vom Sollwertgenerator (2), sowie Lastmoment (n), Ist-Drehzahl der Last (n) und lastseitiger Schleppfehler (n) vom Beobachter (7) übermittelbar und daraus für den motorseitigen Regler (3.1) Stell- und Korrekturwerte berechen- und vorgebbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
In Offset-Rollenrotationsdruckmaschinen treten vielfältige Störungen auf, die in gewissen Fällen die Druckbildqualität sichtbar beeinträchtigen können. Während aperiodische Störungen durch den Farbregisterregler nur sehr langsam, aber häufig mit genügender Genauigkeit ausgeregelt werden können, liegen periodische Störungen meistens oberhalb der Grenzfrequenz der Farbregisterregelung und, führen zu periodischen Farbregister- und evtl. sogar zu Dublierfehlern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung zu schaffen, mit welcher sowohl aperiodische als auch periodische Störungen ausgeregelt und/oder kompensiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verursacht ein sogenanntes Heberfarbwerk alle acht Druckzylinderumdrehungen ein Störmoment, welches durch das Beschleunigen der Heberwalze entsteht und dadurch die gesamte Druckeinheit abbremst. Es kommt zum deutlichen Dublieren zwischen den einzelnen Druckeinheiten und womöglich auch zum leichten Dublieren innerhalb der Druckwerke. Das Ziel ist, den Motor so gegen diese Störung zu steuern, dass sich die Summe aus Störmoment und Kompensationsmoment am Druckzylinder genau aufhebt, so dass keine Schwingungen mehr auf das Papier übertragen werden können. Das Dublieren von Druckeinheit zu Druckeinheit wird damit unterbunden.

Bedeutungsvoll ist, dass ein Add-On-Regelungssystem aufgebaut wird, das durch einen Eingriff in den motorseitigen Regelkreis die Auswirkungen solcher Störungen auf die Lastseite und damit auf das Druckbild ohne einen zusätzlichen lastseitigen Drehgeber kompensiert. Darüber hinaus werden die Antriebswellen durch einen stark drehzahlabhängigen Drehmomentbedarf verdreht. Beim Hochfahren der Maschine muss diese Verdrehung durch den Farbregisterregler korrigiert werden. Erfindungsgemäß kompensiert eine Störgrößenaufschaltung den Verdrehwinkel der Antriebswelle verzögerungsfrei, so dass der Farbregisterregler nicht mehr eingreifen muss. Dies führt zu einer deutlichen Makulaturreduzierung.

Die Störgrößenaufschaltung und die lastseitige Kaskade sorgen für ein bestmögliches Führungs- und Störverhalten des Antriebssystems. Bei hochdynamischen Störungen, welche – wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben – auch über der Grenzfrequenz der Störgrößenaufschaltung und der lastseitigen Kaskade liegen können, verbleiben Restfehler, die nur noch durch den Einsatz Künstlicher Neuronaler Netze (KNN) bekämpft werden können.

Der Weg besteht darin, durch nichtlineare, mehrdimensionale Kennflächen und/oder Kennlinien Korrekturgrößen für die Motorseite zu generieren, die in der Lage sind, diese Störungen rechtzeitig zu kompensieren, wobei diese als Stell-, Korrektur- oder Zusatzsollwerte auf die Motorregelung aufgeschaltet werden. Ein weiteres KNN trainiert im Beobachter das periodische Lastmoment, auch Störmoment genannt, und führt dadurch zu einer deutlichen Verbesserung der Beobachterdynamik.

Die Heberschläge treten im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Periodizität von 8 Druckzylinderumdrehungen auf. Sie sind damit lageabhängig. Weiterhin wird die Heberwalze im unteren Drehzahlbereich langsamer geschwenkt als bei Maximalgeschwindigkeit. Die Heberschläge werden also bei Nenngeschwindigkeit heftiger sein als bei Einrichtgeschwindigkeit. Dies ist absolut unabhängig von deaktuellen Lage des Hebers.

Natürlich gibt es sicherlich noch weitere Einflussfaktoren, wie etwa die erforderliche Farbschichtdicke etc. Es liegt nahe, die gewünschte Kennfläche, welche durch ein Künstliches Neuronales Netz gelernt werden soll, nur von den dominanten Einflussgrößen abhängig zu machen, im Ausführungsbeispiel von der Lage und von der Geschwindigkeit. Als besonders vorteilhaft erweist sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel, die Sollgrößen φ* und n* zu verwenden, da diese rauschfrei sind. Die Ist-Größen sollten nur dann verwendet werden, wenn sich im Großsignalverhalten deutliche Unterschiede zwischen den Soll- und Istwerten ergeben.

Da ein KNN fortlaufend lernt, wird auch den langsamen Einflussfaktoren Rechnung getragen. Das Neuronale Netz wird beispielsweise mit Radialen Basisfunktionen (RBF) aufgebaut.

Mit den Neuronalen Netzen erfolgt ein Lernen oder Trainieren stationärer, nicht stationärer und periodischer linearer und/oder nichtlinearer Zustände und Größen (Funktionsapproximation) zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens. Neuronale Netze können im Beobachter, zur Nachbildung der lastseitigen Störung und zur Unterstützung der motor- und der lastseitigen Regelungen eingesetzt werden.

Durch die Verwendung eines KNN ist eine schnellere und genauere Regelung möglich. Bedeutungsvoll ist, dass das KNN nicht nur in Echtzeit gerechnet, sondern auch in Echtzeit trainiert wird.

Derart gestaltete Künstliche Neuronale Netze (KNN) können nun in vielfältiger Art und Weise in der Regelungstechnik eingesetzt werden. Ein erstes Netz wird vorgesehen, um den periodischen Anteil der Störung zu trainieren. Ein weiteres Neuronales Netz wird verwendet, um Schleppfehler an der Lastseite mit Hilfe motorseitiger Winkelkorrekturen zu kompensieren. Der Schleppfehler ist wie folgt definiert: Sollwert – Istwert = Fehler (Schleppfehler). [Beispielsweise: Drehmoment-Schleppfehler = Wert des Soll-Drehmoment – Wert des Ist-Drehmoments; Drehwinkel-Schleppfehler = Wert des Soll-Motorwinkels – Wert des Ist- Motorwinkels]. Eine dritte Möglichkeit besteht auch darin, ein KNN parallel zum PI- oder P-Drehzahlregler anzuordnen. Dieses entlastet und unterstützt den Drehzahlregler bei der Kompensation der periodischen Störungen.

Die traditionelle Kaskadenstruktur der Regelung der Einzelantriebe von Druckeinheiten ist dadurch gekennzeichnet, dass nur die motorseitig verfügbaren Drehzahl- und Lagesignale verarbeitet werden, vgl. 1. Der Nachteil dabei ist, dass die Zustände am Druckzylinder unbekannt bleiben.

Bedeutungsvoll ist, dass die Regelalgorithmen, welche die herkömmliche Regelung im Führungs- und Störungsverhalten verbessern sollen, als zuschaltbare Add-On-Module konzipiert werden, die leicht in Betrieb zu nehmen und gegenüber Parameteränderungen robust sind.

Mit Hilfe von Künstlichen Neuronalen Netzen sind sie lernfähig und universell zur Kompensation von periodischen Störungen unbekannter Frequenz und Amplitude einsetzbar. Wegen der Verwendung eines Beobachters, beispielsweise Schleppfehlerbeobachter mit KNN, sind keine lastseitigen Drehgeber notwendig. Somit erfolgt eine neuronale Lageregelung der Lastseite ohne lastseitigen Geber (sensorlose Lösung).

Für Lösungen ohne lastseitigen Sensor wird ein Beobachter, insbesondere ein neuronaler Beobachter, benötigt, der sowohl alle messbaren Zustandsgrößen, deren Messung vermieden werden soll, als auch die nicht messbaren Zustandsgrößen der Regelstrecke in gewünschter Weise rekonstruiert, wobei der Beobachter auch ein aperiodisches und periodisches Störmodell einschließt. Mit diesem Beobachter werden zwei Ziele erreicht: Erstens ist es möglich, neue lineare Regelkonzepte zur aktiven Dämpfung der niedrigsten Resonanzstelle des als Ersatzsystem für eine Druckeinheit gewählten Zweimassensystems zu realisieren. Zweitens werden periodische und aperiodische Störungen weitgehend kompensiert. Außerdem sind neue regelungstechnische Konzepte zur aktiven Bewegungsdämpfung ohne Filterung und ohne Streckeninversion sowie ohne lastseitigen Geber (sensorlose Lösung) möglich.

Um den Beobachter entwerfen zu können, muss zunächst von der realen Strecke (Regelstrecke) ein Ersatzmodell erstellt werden, wobei das dominante Systemverhalten meistens durch ein lineares Zweimassensystem, bestehend aus Motor, Antriebswelle und Last, genügend genau wiedergegeben werden kann. Die vorlie gende Mechanik kann durch ein System von Differentialgleichungen beschrieben werden. Dieses Modell wird nun auch im Beobachter implementiert. Alle notwendigen physikalischen Streckenparameter und Druckparameter werden mit Hilfe eines automatisch ablaufenden Frequenzgangverfahrens identifiziert. Die im Messsignal jeweils enthaltenen zusätzlichen Schwingungen können dadurch auf einfache Art ausgeblendet werden. Die physikalischen Parameter der Mechanik sind beispielsweise das Massenträgheitsmoment des Motors und das der Last, die Wellensteifigkeit und die Dämpfung der Welle, gegebenenfalls enthaltener Zahnräder und Riemen, zwischen Antrieb und Last. Dieses Frequenzgangverfahren erfordert keine zusätzlichen Sensoren und keine Zusatz- oder Umbaumaßnahmen an der Druckmaschine.

Der Beobachter kann mit einem künstlichen Neuronalen Netz (KNN) ergänzt werden, welches das lastseitige Widerstandsmoment lernen und für den Beobachter bereitstellen kann. Das KNN ist dem Beobachter zu einer Funktionsapproximation eines stationären und eines periodischen Störmomentes zuschaltbar. Dieser "Neuronaler Schleppfehlerbeobachter" arbeitet ohne periodisches Rücksetzen und ohne Totzeitprobleme schneller und rauschärmer als ein lastseitiger Winkelsensor dessen Anbringung aus konstruktiven Gründen ohnehin in den meisten Fällen problematisch ist. Der Beobachter zeigt deshalb so gute Eigenschaften, weil ein einfaches lineares Zweimassenmodell mit einem lernfähigen, optimalen Störgrößenmodell gekoppelt wird. Die Erweiterung um ein Register- und Dublierfehlermodell führt zu einer bisher nicht möglich gewesenen Berechenbarkeit von Bildfehlern in Echtzeit ohne weiteren technischen Aufwand. Die Störgrößenaufschaltung kann im lastseitigen Regler integriert sein oder ist eigenständig aufgebaut.

Die Störgrößenaufschaltung gibt dem Stromrichter ein Zusatzdrehmoment in Höhe des Lastmoments und dem motorseitigen Regler einen Korrekturwinkel zur Kompensation des stationären lastseitigen Schleppfehlers vor. Der motorseitige Regler kann als PI-Regler oder P-Regler ausgeführt sein, wobei bei Verwendung eines P-Reglers die Vorgabe des Lastmoments über die Störgrößenaufschaltung den I-Anteil bei der alternativen Verwendung eines PI-Reglers ersetzt und somit bleibende stationäre motorseitige Schleppfehler vermieden werden. Durch das Zusatzdrehmoment kann der I-Anteil im Drehzahlregler entfallen, so dass ein reiner P-Drehzahlregler verbleibt. Der Korrekturwinkel zur Kompensation des stationären lastseitigen Schleppfehlers, der dem stationären Verdrehwinkel der Antriebswelle entspricht, wird aus dem Lastmoment M_L, das auch der Beobachter schätzen kann, und der Wellensteifigkeit C₁ ₂ berechnet.

Mittels dem aus dem antriebsseitigen Schleppfehler und der Wellenverdrehung berechneten lastseitigen Schleppfehler kann ein periodisches Zurücksetzen des

Lastwinkels entfallen, und es ist keine Initialisierung des Anfangswinkels erforderlich. Der Beobachter wird aus diesem Grunde auch als Schleppfehlerbeobachter bezeichnet.

Da erstmalig sensorlos auf die lastseitigen Größen geregelt werden kann, verschwindet auch der stationäre Mittelwert des lastseitigen Schleppfehlers.

Eine weitere Verbesserung sowie die vollständige Unterdrückung von periodischen Störungen bis hin zu Minimalwerten, wie sie auch ohne die periodischen Störungen einer Brückenwalze im Normalbetrieb vorliegen, erreicht man durch den Einsatz eines weiteren Neuronalen Netzes. Das oben beschriebene KNN im Beobachter trainiert dabei das Lastmoment M_L und stellt dieses für den Beobachter zur Verfügung. Das zweite KNN wird für die Winkelregelung eingesetzt. Es minimiert lernend den verbleibenden lastseitigen, periodischen Schleppfehler, und stellt einen entsprechenden motorseitigen Korrekturwinkel zur Verfügung.

Von den zahlreichen Möglichkeiten der oben angegebenen Strukturen wird der Fall der Doppelkaskade nach 2 mit rückgekoppeltem Neuronalen Beobachter und zusätzlichem KNN zur Winkelkorrektur vorgestellt, da sie das umfangreichste System darstellt und damit die besten Ergebnisse erzielt wurden. Es kommt auf zwei Punkte an. Zum einen sieht man, dass der gesamte Regelkreis zusammen mit dem Beobachter stabil läuft, was auf einen schnellen Beobachter ohne nennenswerten Phasenabfall im Nutzfrequenzbereich schließen lässt. Zum anderen ist es wichtig, dass sich auch im eingeschwungenen und geregelten Zustand die gemessenen Lastzustände mit den errechneten decken.

Der Begriff Doppelkaskade steht für eine motorseitige sowie auch lastseitige Kaskade. Da die Struktur der motorseitigen Kaskade symmetrisch zur lastseitigen Kaskade ist, spricht man auch. von einer symmetrischen Doppelkaskadenregelung. Diese kann auch sehr einfach empirisch in Betrieb genommen werden, da die lastseitigen Reglereinstellungen über Faustformeln von den motorseitigen ableitbar sind. Die Doppelkaskade dient somit zur sensorlosen Zustandsregelung und eröffnet auch die Möglichkeit einer empirischen Optimierung. Die Doppelkaskade ist derart ausgestaltet, dass die lastseitige Kaskade für Lastdrehzahl und Lastlage identisch dem motorseitigen Regler, insbesondere der motorseitigen Kaskade für Motordrehzahl und Motorlage, aufgebaut ist.

Alle Add-On-Komponenten wurden so konstruiert, dass im Fehlerfall, in Störfällen oder sonstigen Ausnahmezuständen durch die vorhandene motorseitige P/PI- oder P/P-Kaskade "Notlaufeigenschaften" sichergestellt werden. Darunter ist zu verstehen, dass beim Ausfall eines Beobachters oder der erweiterten Regelung ein Betrieb allein mit der motorseitigen Kaskade zur Drehzahl- und Lageregelung möglich ist. Es kann weiter gedruckt oder geregelt angehalten werden.

Das entwickelte Gesamtsystem kann die Basis für zukünftige sensorlose bzw. sensorarme Regelkonzepte bilden, die ohne lastseitigen Geber auskommen müssen. Die entwickelten Regelkonzepte in Verbindung mit den Künstlichen Neuronalen Netzen sind zur Unterdrückung von periodischen und aperiodischen Störungen geeignet, deren Frequenz und Amplituden nicht bekannt sein müssen, sondern gelernt werden. So wäre z. B. eine Unrundheitskompensation der ablaufenden Rolle im Rollenwechsler oder die Kompensation einmaliger Störungen beim Anklebvorgang während des fliegenden Rollenwechsels möglich. Der zukünftige Einsatz im Falzapparat oder Falzwerk würde sich ebenfalls anbieten. Das neuronale Konzept eröffnet Möglichkeiten, statische Kurvenscheiben zukünftig durch dynamische zu ersetzen, die sich im laufenden Betrieb durch ein Trainingsverfahren selbst optimieren.

Prinzipiell können auch lastseitig Drehgeber angebracht werden. Durch Geber, Auswerteelektronik und die Ersatzteillogistik entstehen aber zusätzliche Kosten, die man gerne vermeiden möchte. Problematisch wird es bei den Druckmaschinen mit hülsenförmigen Druckformen und Gummitüchern. Für den Hülsenwechsel muss eine Zylinderseite frei zugänglich sein. Eine Gebermontage ist dann unmöglich. Die einzige Möglichkeit zur Messung des Lastwinkels wäre daher die Anbringung des Gebers im Ölraum der Maschine, was aber aus technischer Sicht nicht praktikabel ist.

Auch die Auswertung eines lastseitigen Winkelsignals selbst erweist sich als äußerst problematisch. Während die Lastdrehzahl durch einfache numerische Differentiation des Lastwinkels noch relativ einfach zu ermitteln ist, gibt es bei der Lageauswertung eine Reihe von Problemen. So führt eine Totzeit in der Lastwinkelauswertung des derzeit eingesetzten Umrichters zu einem drehzahlabhängigen Winkelversatz. Dieses Problem kann eventuell durch eine neue Firmware behoben werden. Wünschenswert wäre auch die Bereitstellung des Lastwinkels mit derselben Abtastrate wie der des Motors.

Der Momentenbedarf einer Druckeinheit ist stark unterschiedlich. Zu nennen wären als Ursachen kalte und warme, neue und "eingelaufene" Maschinen sowie Art der Gummitücher und die Verspannung der Walzen. Auch die Farbmenge trägt ihren Teil am erforderlichen Lastmoment bei.

Weitere Vorteile sind, dass mit Einsatz des Schleppfehlerbeobachters für den Lastwinkel ein synchronisiertes, periodisches Rücksetzen von Soll- und Ist-Winkeln vermieden wird. Bedeutungsvoll ist, dass keine Initialisierung des beobachteten Lastwinkels in Bezug auf den Motorwinkel, sowohl bei spielfreien, insbesondere aber bei losebehafteten Systemen, erforderlich ist, wobei sich Loseeffekte (Getriebespiel) nicht auf den Beobachter auswirken, da sie dort bewusst nicht implementiert werden, weil sie im normalen Betrieb nur kurzzeitig auftreten können. Der Beobachter liefert den Reglern im Gegensatz zu ungeglätteten Messwerten geglättete Ist-Werte, in Folge dessen ein durch starkes Messrauschen verursachtes aggressives Gegenregeln vermieden wird. Somit werden rauscharme Lastgrößen rekonstruiert.

Von besonderer Bedeutung ist, dass die Möglichkeit. besteht, das Modell für den Register- und Dublierfehler zu einem numerisch stabilen System weiterzuentwickeln, welches das Kleinsignalverhalten des Register- und Dublierfehlers im gesamten Arbeitsbereich richtig wiedergibt, wobei dieses Modell in Echtzeit arbeiten kann. Dazu werden die Daten des Beobachters oder aus einer lastseitigen Messung mittels eines lastseitigen Gebers dem Register- und Dublierfehlermodell übermittelt. Das Dublierfehlermodell kann zur Regelung des Antriebssystems und/oder zur Durchführung von Diagnosefunktionen, insbesondere zur Protokollierung der Druckqualität über den Zeitraum des Druckprozesses, verwendet werden, wobei die Diagnosefunktionen zeitgleich zum Druckprozess durchführbar sind.

Vorteilhaft ist, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl translatorische Antriebssysteme, beispielsweise ein Werkzeugmaschinenschlitten, als auch rotatorische Antriebssysteme, beispielsweise eine Druckmaschine, regelbar sind.

Bedeutungsvoll ist, dass sich mittels sinusförmiger Basisfunktionen besonders steile aber dennoch glatte Kurvenzüge abbilden lassen. Vorzüglich eignen sich Serien von cos² – ähnlichen Basisfunktionen, die zwischen – π/2 und + π/2 den Wert der cos² – Funktion annehmen und sonst den Wert 0 aufweisen (siehe 9). Diese können beliebig auf der Abszisse gestreckt oder gestaucht werden (siehe 10) und/oder auf der Abszisse verschoben werden (siehe 11).

Dadurch kann besonders vorteilhaft eine Serie von bereits normierten Basisfunktionen erzeugt werden, wenn alle Teilfunktionen eine 50%-ige Überdeckung mit ihren jeweiligen Nachbarfunktionen aufweisen (siehe 12).

An den Rändern des Definitionsbereichs, in dem Funktionen approximiert werden. sollen, wird jeweils eine halbe cos²-Funktion verwendet, deren Maximum auf dem Rand liegt, vom Maximum aus gesehen außerhalb des Definitionsbereichs der Wert 1 aufweist und auf der anderen Seite den Wert 0, um somit für eine Extrapolation über den Definitionsbereich hinaus zu sorgen. In den 12 bis 17 sei dieser Definitionsbereich von – 4 bis + 4. Die Basisfunktion am linken Rand des Definitionsbereichs ist in 13 abgebildet, die Basisfunktion am rechten Rand wird analog dazu aufgestellt. Die Basisfunktionen aus 12 und die beiden Randfunktionen gemäß 13 sind zusammen in 14 dargestellt.

Die Summe über alle Ordinatenwerte liefert dann an jeder Stelle den Wert 1. Die Teilfunktionen können im Definitionsbereich zu je einer sin²- und einer cos²-Funktion zusammengefasst werden, welche gemäß des Satzes von Pythagoras an jeder Stelle den Wert 1 ergeben. Eine ansonsten erforderliche Normierung des Ausgangssignals mit den Anregungsfunktionen kann entfallen.

Das Netz kann abszissenseitig insbesondere mit Zeit, Weg oder Winkelgrößen angesprochen werden. Bei periodischen Signalen bildet man die Abszisse auf einen Kreis ab, wobei dann die erste halbe cos²- und die letzte halbe cos²-Funktion zu einer ganzen cos²-Funktion verbunden werden.

Die einzelnen Funktionen können aber auch jeweils halbseitig verschieden groß gestreckt oder gestaucht werden, wodurch vor allem Experten- oder Vorwissen in das Netz eingebracht werden kann (siehe 15). Wünscht man sich wieder eine Serie von bereits normierten Basisfunktionen, so ist darauf zu achten, dass die jeweils benachbarten cos²-Hälten, die sich zum Teil überdecken, mit dem gleichen Faktor gestreckt oder gestaucht werden, (siehe 15). An Stellen, an denen große Änderungen oder Schwingungen abgebildet werden müssen, wird man die Basisfunktionen verdichten, an anderen Stellen entsprechend ausdünnen. Man kann sogar einzelne Störungen (Spikes) komplett ausblenden, indem man an diesen Stellen die Basisfunktionen ausdünnt. Die symmetrische Verteilung der Basisfunktionen wie in 15 ist jedoch rein zufällig.

Ähnlich dem Shannon'schen Abtasttheorem können bei diesem Netztyp gezielt Schwingungen eintrainiert werden, wenn pro Schwingung an der betreffenden Stelle mindestens doppelt so viele Basisfunktionen vorhanden sind, in der Praxis etwa vier bis zehn Basisfunktionen. Sind weniger als doppelt so viele Basisfunktionen, in der Praxis weniger als 1,5 pro Schwingung vorhanden, so können gezielt Schwingungen oder Störungen ausgeblendet werden. Dieser Netztyp ist somit auch unempfindlich gegenüber Rauschsignalen.

16 zeigt unterschiedlich gewichtete Basisfunktionen, deren Summe eine glatte Kurve (siehe 17) ergibt.

18 zeigt unterschiedlich gewichtete Basisfunktionen für den periodischen Fall deren Summe eine glatte Kurve (siehe 19) ergibt.

Als Lernbasis wird pro Basisfunktion ein Integrator eingesetzt, der, von einem Fehlersignal getrieben, abhängig von der aktuellen Anregung der bereffenden Basisfunktion, diesen Fehler aufintegriert und damit zur Minimierung dieses Fehlersignals beiträgt. Der Wert jedes einzelnen Integrators stellt das Gewicht der einzelnen Basisfunktion dar. In 16 und 17 sind auf den Kurven Stützstellen (Gewichte) in Form von Punkten, hier beispielsweise neun Stück, mit dünnen vertikalen Haarlinien dargestellt.

Bezeichnet man die einzelnen Basisfunktionen mit μ_i(x) und die dazugehörigen Gewichte mit Θ_i, so gilt für die approximierte Kurve

und für die normierten Basisfunktionen

Wird die zu approximierende Kurve mit y*(x) bezeichnet, so kann ein Fehler eingeführt werden e(x) = y*(x) – y ^(x),der durch ein Trainingsverfahren minimiert werden soll. Dieses Trainingsverfahren lässt sich als Differentialgleichung angeben mit i = λ·μi(x)·e(x)mit λ > 0 als Trainingsfaktor, mit dem die Lerngeschwindigkeit eingestellt werden kann. Mit der Eingangsgröße x sollte dabei der gesamte Definitionsbereich abgefahren werden, um die komplette Kurve zu approximieren. Andernfalls wird nur ein Teilbereich trainiert werden, was im Einzelfall durchaus sinnvoll sein kann.

Bei unterschiedlich breiten Basisfunktionen, wie in 15 dargestellt, kann ein gleichmäßigeres Trainieren aller Gewichte erzielt werden, in dem man in der Trainingsdifferentialgleichung zusätzliche Faktoren A_i einführt, die der Fläche entsprechen, welche die einzelnen Basisfunktionen μ_i(x) mit der x-Achse einschließen:

Um zu verhindern, dass Gleichanteile eintrainiert werden, kann die Trainingsdifferentialgleichung erweitert werden zu

Soll eine Funktion von zwei oder mehreren Größen, beispielsweise z = f(x,y) oder z = f(r,φ), abhängen, so wird pro Achse ein Satz solcher Basisfunktionen verwendet. Bei m Basisfunktionen für die erste Eingangsachse und n Basisfunktionen für die zweite Eingangsachse entstehen durch Multiplikation aller Basisfunktionen m × n Radialbasisfunktionen. Analog wird für jede dieser m × n Radialbasisfunktionen ein Integrator verwendet.

Die Gleichungen für den zwei- und mehrdimensionalen Fall werden ohne Herleitung analog zum eindimensionalen Fall angegeben:
Für die Basisfunktionen gelte μi,j(x,y) = μi(x)·νj(y) mit den Gewichten Θ_i,j, für die approximierte Fläche gelte

und für die normierten Basisfunktionen

Wird die zu approximierende Fläche mit z*(x,y) bezeichnet, so kann wieder ein Fehler eingeführt werden e(x,y) = z*(x,y) – z ^(x,y),der durch ein Trainingsverfahren minimiert werden soll: i,j = λ·μi,j(x,y)·e(x,y)mit λ > 0.

Bei unterschiedlich breiten Basisfunktionen, analog zu 15, können zusätzliche Faktoren V_i,j eingeführt werden, die dem Volumen entsprechen, welches die einzelnen Basisfunktionen μ_i,j(x,y) mit der x,y-Ebene einschließen:

Das eintrainieren von Gleichanteilen wird analog verhindert durch

Nicht immer gibt es eine zu approximierende Kurve y*(x) oder Fläche r*(x.y), bei der Fehler explizit so wie oben angegeben werden können: e(x) = y*(x) – y ^(x) e(x,y) = z*(x,y) – zz ^((x,y)

Ebenso kann im Signalweg zwischen y ^(x) oder z ^(x,y) und dem Fehler e(x) oder e(x,y) eine dynamische Übertragungsfunktion H(s) liegen.

Insbesondere wird in 3 entsprechend 4 (Block 11) der Ausgang des stationären Störmodells als Fehlersignal herangezogen, während der Ausgang des dort verwendeten KNN das Beobachterdifferentialgleichungssystem speist.

In 4 wird ein KNN (Block 10) parallel zum Drehzahlregler angeordnet. Das Eingangssignal des Drehzahlreglers, welches dem Drehzahlfehler entspricht und beispielsweise aus der Solldrehzahl, der Ist-Drehzahl und dem Ausgangssignal des Lagereglers berechnet werden kann dient gleichzeitig als Fehlersignal des KNN (Block 10). Ein weiteres KNN (Block 12) dient der Kompensation dynamischer lastseitiger Schleppfehler. Aufgrund des starken Phasenabfalls zwischen dem Sollwinkel der Elektronischen Welle (b) und dem Lastwinkel erweist es sich als besonders vorteilhaft, die Fehlerfunktion zum Trainieren des KNN (Block 12) durch eine Linearkombination mehrerer Lastgrößen zu bilden: eL(φ*,n*) = kLφ·(φ* – φ2) + kLn·(n* – n2) + kLα·α2 bzw. beim Einsatz eines Schleppfehlerbeobachters werden analog dazu die geschätzten Lastgrößen verwendet: eL(φ*,n*) = –kLφ·( ^ 20 + kLn)·(n* – n^n^2) + kLα· ^ 2

Mit der Schreibweise e_L(φ*,n*) soll an dieser Stelle nur angedeutet werden, dass sowohl der Fehler als auch die Kennfläche, die mit dem KNN (Block 12) eintrainiert werden soll, über den beiden Größen φ* und n* aufgespannt wird.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Regelvorrichtung eines Antriebssystems, insbesondere für einen elektrischen Antrieb einer Druckmaschine mit Drehzahl- und Lageregelung sowie unterlagerter Drehmomentregelung unter Verwendung eines motorseitigen Drehgebers, aus dessen Signalen die motorseitigen Größer Drehwinkel, Drehzahl und Beschleunigung bestimmbar sind, wobei das Antriebssystem noch einen Sollwertgenerator und einen Stromrichter umfasst, und mittels eines Beobachters lastseitige Daten, insbesondere dem Torsionswinkel der Antriebswelle, Lastwinkel, Lastdrehzahl, Lastbeschleunigung und Lastmoment, berechenbar sind, der Beobachter eingangsseitig mit dem motorseitigen Regler, dem Stromrichter und dem motorseitigen Drehgeber und ausgangsseitig mit einem lastseitigen Regler verbindbar ist, wobei der Beobachter den lastseitigen Schleppfehler aus dem antriebsseitigen Schleppfehler und dem Torsionswinkel der Antriebswelle berechnet, dem lastseitigen Regler Größen, insbesondere eine Soll-Drehzahl vom Sollwertgenerator, sowie Lastmoment, Ist-Drehzahl der Last und lastseitiger Schleppfehler vom Beobachter übermittelbar und daraus für den motorseitigen Regler Stell- und Korrekturwerte berechen- und vorgebbar sind.

Die Erfindung soll sich nicht nur auf die Anwendung bei Druckmaschinen und deren Aggregate beschränken. In äquivalenter Weise kann die Erfindung auch an nachfolgend aufgeführte Anwendungsbeispiele analog angewendet werden. Denn durch die eingesetzten Mehrfachkaskadenstrukturen können beliebige schwin gungsfähige, elastische Mehrkörpersysteme, insbesondere Antriebsstränge, Roboter und elastische Handlingsysteme, Kräne, Leichtbaustrukturen, Mikrosysteme, Piezoaktoren und -systeme, frei schwingende Lasten an Seilen und Ketten und Verbrennungsmotoren, aktiv bedämpft werden.

Durch KNN können Nichtlinearitäten sowie periodische und nichtperiodische Störungen und Schwingungen, insbesondere bei Robotern, Mikrosystemen, Piezoaktoren und -systemen, Verbrennungsmotoren, Momentenrippel bei rotatorischen und Kraftrippel bei translatorischen Antrieben, adaptiv kompensiert werden. Alle kontinuierlichen Fertigungsanlagen, insbesondere Anlagen mit durchlaufenden Bahnen wie Papiermaschinen, Druckmaschinen, Walzwerke und Drahtziehmaschinen, sowie Seilbahnen, können regelungstechnisch verbessert werden. Von Vorteil ist, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung alle Komponenten von Bogen- und Rollendruckmaschinen sowie Kopierern und Schnelldruckern, insbesondere Ab- und Aufwickler, Druckeinheiten, Kühleinheiten, Wendeaufbau, Falzapparate und deren Funktionselemente, Falzklappenzylinder, Falzmesserzylinder, Messerzylinder, regelungstechnisch verbessert werden können.

Auch können die Eigenschaften von Lagern, insbesondere Magnet- und Luftlager, magnet- und luftgelagerte rotatorische und lineare Antriebe, Magnetschwebebahnen und -systeme, mittels der Vorrichtung regelungstechnisch verbessert werden. Erwähnenswert ist, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Längsschwingungen (Schwingungen in Transportrichtung) und -störungen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, Magnetschwebebahnen, Schiffsverbänden, Straßenfahrzeugen, frei schwingenden Lasten (horizontal und vertikal) und Seilbahnen, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden können. Außerdem können Querschwingungen (Schwingungen quer zur Transportrichtung) und -störungen, insbesondere bei Magnetschwebebahnen, Schiften, Booten, Straßenfahrzeugen und frei schwingenden Lasten, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden. Mit der Vorrichtung können Schwingungen und Störungen bei fliegenden und schwebenden Objekten insbesondere bei Flugzeugen, Zeppelinen, Raketen, Satelliten, Magnetschwebebahnen, und frei schwingenden Lasten, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden.

Mit Hilfe der Vorrichtung können Bahnverfolgungs- und Fahrerassistenzsysteme (FAS), insbesondere Autopilot, elektronischer Co-Pilot, HC (Heading Control = Spurführungshilfe, Querregelung), Tempomat, ACC (Autonomous Cruise Control = abstandsgeregelter Tempomat, Längsregelung), AGP (Aktives Gaspedal), CAS (Collision Avoidance System = Kollisionsvermeidung durch Ausweichen/Bremsen) und elektronische Deichsel, eingesetzt insbesondere bei Flugzeugen, Zeppelinen, Raketen, Satelliten, Schiften, Booten, Fahrzeugverbänden und führerlosen Transportsystemen, regelungstechnisch verbessert werden. Es können auch Stabilisierungs-, Bahnstabilisierungs- und Fahrerassistenzsysteme (FAS), insbesondere ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm), HC, Tempomat, ACC, AGP, CAS, aktive und/oder passive Lenksysteme, Autopilot und elektronischer Co-Pilot, eingesetzt insbesondere bei Personen- und Lastkraftwagen, sowie bei Omnibussen, Flugzeugen, Zeppelinen, Flugzeugfahrwerken, Schiften und Booten, regelungstechnisch verbessert werden. Mit der Vorrichtung können auch Beschleunigungs- und Bremssysteme sowie Systeme zu deren Unterstützung, insbesondere ABS (Anti-Blockier-System) und ASR (Anti-Schlupf-Regelung), ACC, AGP, CAS, bei Personen- und Lastkraftwagen, sowie bei Omnibussen und Flugzeugfahrwerken, regelungstechnisch verbessert werden. Aktive Feder-Dämpfersysteme, insbeson dere bei Personen- und Lastkraftwagen sowie bei Omnibussen und Flugzeugfahrwerken, können regelungstechnisch verbessert werden.

Von Vorteil ist, dass die Umwandlung aller Zustandsregler und aller Mehrgrößenregler in Mehrfachkaskadenstrukturen ohne Einschränkung oder Änderung der dynamischen Eigenschaften erfolgen kann. Die Mehrfachkaskadenstrukturen können in allen Bereichen der Regelungstechnik, insbesondere in elektrischen, elektronischen, mechanischen, mechatronischen und verfahrenstechnischen Systemen und Komponenten angewandt werden. Die Mehrfachkaskadenstrukturen lassen sich einfacher behandeln, insbesondere lassen sich solche Kaskadenstrukturen erheblich leichter in Betrieb nehmen und im laufenden Betrieb überprüfen und warten, da immer nur die jeweils aktuelle Kaskade und nicht mehr das gesamte System betrachtet werden muss. Darüber hinaus sind Mehrfachkaskadenstrukturen einfach optimierbar, insbesondere empirisch optimierbar, im laufenden Betrieb empirisch nachoptimierbar, adaptiv und intelligent optimierbar, da immer nur die jeweils aktuelle Kaskade für sich allein und nicht mehr das gesamte System betrachtet werden muss. Mit Teilen von Mehrfachkaskadenstrukturen, insbesondere schon mit einer einzelnen Kaskade können Notlaufeigenschaften sichergestellt werden.

Bedeutungsvoll ist, dass Beobachter, Mehrfachkaskadenregler und KNN oder Teile davon unterschiedlich geometrisch angeordnet werden können, insbesondere können die Teilsysteme zentral (räumlich konzentriert), dezentral (räumlich verteilt) und als Zusatz- oder Unterstützungssystem (Add-On-System) aufgebaut sein.

Beobachter, Mehrfachkaskadenregler und KNN oder Teile davon können unter schiedlich angewendet und betrieben werden, insbesondere können die Teilsys teure zentral (räumlich konzentriert), dezentral (räumlich verteilt) und als Zusatz oder Unterstützungssystem (Add-On-System) angewendet und betrieben werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Regelvorrichtung gemäß Anspruch 19, mittels der sowohl aperiodische als auch periodische Störungen ausgeregelt und/oder kompensiert werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Klassische Kaskade,
2 eine Doppelkaskade,
3 einen Schleppfehlerbeobachter,
4 einen Funktionsplan des Gesamtsystems,
5 einen Funktionsplan des antriebstechnischen Teilsystems,
6 einen Signalflussplan des Register- und Dublierfehlermodells,
7 einen variablen Integrator mit Rücksetzeingang,
8 ein variables PT₁-Glied,
9 cos²-Funktion,
10 gestauchte cos²-Funktion,
11 verschobene und gestauchte cos²-Funktion,
12 Serie von cos²-Funktionen,
13 halbe cos²-Funktion an den Definitionsrändern,
14 Zusammenschau der cos²-Funktionen nach 12 und 13,
15 halbseitig verschieden groß gestreckte oder gestauchte cos²-Funktionen,
16 unterschiedliche Gewichtung der cos²-Funktionen nach 15,
17 Aufsummierung von cos²-Funktionen von 16 zu einer Kurve,
18 Basisfunktionen im periodische Fall und
19 Aufsummierung im periodischen Fall.
Die 1 zeigt ein Ersatzsystem einer Druckmaschine als Zweimassensystem, bestehend aus den physikalischen Parametern der Mechanik, beispielsweise dem Massenträgheitsmoment J₁ des Motors und dem Massenträgheitsmoment J₂ der Last, der Wellensteifigkeit C₁ ₂ und der Dämpfung D₁ ₂ der Welle. An der Last greift eine unbekannte zeitvariante Störung ML an. Der motorseitige Regler ist hier als P/PI-Kaskade aufgebaut. Der P-Regler (kφ₁) dient zur Lageregelung, der unterlagerte PI-Regler (T_n1) dient zur Drehzahlregelung. Dem Drehzahlregler wird eine Soll-Drehzahl vorgesteuert, die man durch Differentiation (Tφ) aus dem Soll-Winkel erhält. Die Ermittlung des Motorwinkels wird als Integration über die Motordrehzahl dargestellt.
Die 2 wurde aus 1 abgeleitet und weist folgende Ergänzungen auf. Durch die Störgrößenaufschaltung über k_M _L kann der I-Anteil im motorseitigen Drehzahlregler entfallen. Es verbleibt ein reiner P-Drehzahlregler. Es wurde zusätzlich eine lastseitige Kaskade eingeführt, die symmetrisch zur motorseitigen Kaskade aufgebaut ist. Zur Verbesserung des Führungsverhaltens wurde zusätzlich eine Beschleunigungsvorsteuerung eingeführt, die man durch Differentiation (Tω) aus der Soll-Drehzahl erhält. Im Notfall kann über den Schalter S₁ die lastseitige Regelung komplett abgeworfen werden, wobei durch die motorseitige Regelung Notlaufeigenschaften sichergestellt werden.
3 zeigt einen Schleppfehlerbeobachter, der auf einem Luenberger-Beobachter basiert, wie er beispielsweise im Lehrbuch Föllinger, O., Regelungstechnik, Hüthig-Verlag 1994 ausführlich beschrieben ist. Dieser wird zunächst um ein stationäres Störgrößenmodell, dann um ein periodisches Störgrößenmodell (KNN) erweitert. Sein Differentialgleichungssystem beschreibt ein einfaches Zweimassen system, unter anderem mit beobachteter Motor- und Lastdrehzahl, rückgekoppelter gemessener Motordrehzahl, aber ohne beobachtete und gemessene Motor- und Lastwinkel. Aus diesem einfachen Modell kann der lastseitige Schleppfehler aus dem motorseitigen Schleppfehler und der beobachteten Wellenverdrehung berechnet werden.
Der Schleppfehler ist wie folgt definiert: Sollwert – Istwert = Fehler (Schleppfehler). Schleppfehler = Wert des Soll-Motorwinkels – Wert des Ist-Motorwinkels.
Die 4 zeigt den Funktionsplan des Gesamtsystems, die darin enthaltene 5 zeigt das antriebstechnische Teilsystem. Von einem Leitstand 1 werden einem Sollwertgenerator 2 über die Verbindung a die Maschinengeschwindigkeit vorgegeben. Der Sollwertgenerator generiert Soll-Werte für motorseitige Drehzahl und Winkel und gibt diese insbesondere über eine elektronische Welle b bzw. die Verbindung b allen Antrieben vor. Der Sollwertgenerator ist mit einer motorseitigen Regelung 3.1 verbunden, welche analog zu 1 und 2 als Kaskade aufgebaut ist. Der motorseitige Regler 3.1 erhält über die Verbindung c Ist-Werte für Lage und Drehzahl des Antriebes über einen Stromrichter 3.2, wobei der motorseitige Regler 3.1 dem Stromrichter 3.2 das Soll-Moment vor gibt.
Der Stromrichter 3.2 versorgt analog zum vorgegebenen Soll-Moment den Motor 4.1 über die Verbindung f.1 mit elektrischer Energie und erhält über die Verbindung f.2 den Ist-Winkel aus dem motorseitigen Geber 4.2, wobei der Geber 4.2 über eine Verbindung t mit dem Motor 4.1 verbunden ist.
Der aus dem Motor 4.1 und dem Geber 4.2 bestehende Antrieb 4 ist mittels einer Verbindung g mit einer Mechanik 5, beispielsweise eine Druckmaschine, verbunden. Die Mechanik 5 wird mit einer Störung h beaufschlagt. Die Mechanik 5 beeinflusst über die symbolische Verbindung i den Druckprozess 6, wobei der Druckprozess 6 Dublierfehler E und/oder Registerfehler Y aufweisen kann.
Der Druckprozess 6 wird von nachfolgenden, nicht näher dargestellten, Mechaniken, insbesondere Druckeinheiten, über die symbolische Verbindung k beeinflusst.
Der Schleppfehlerbeobachter 7 erhält über die Verbindung d den motorseitigen Schleppfehler und über die Verbindung e die Lastdrehzahl und das Lastmoment. Statt des Last-Ist-Moments kann der Schleppfehlerbeobachter 7 über die Verbindung d auch das Last-Soll-Moment erhalten. Der Schleppfehlerbeobachter 7 funktioniert analog dem Schleppfehlerbeobachter beschrieben in 3.
Der Schleppfehlerbeobachter 7 reicht über die Verbindung o den lastseitigen Schleppfehler an das Modell für den Register- und Dublierfehler 9 weiter, wobei dieses über die Verbindung b die Soll-Drehzahl und über die Verbindung q den Schleppfehler der nachfolgenden Druckeinheit erhält, Der lastseitige Schleppfehler wird über den motorseitigen Schleppfehler und die beobachtete Verdrehung der Welle errechnet, wobei die Verdrehung der Welle aus einem mathematischen Modell hervorgeht.
Der lastseitige Regler 8 erhält vom Schleppfehlerbeobachter 7 über die Verbindung n den lastseitigen Schleppfehler, die Lastdrehzahl, die Lastbeschleunigung und das Lastmoment, über die Verbindung b die Soll-Drehzahl. Der lastseitige Regler 8 ist analog wie in 1 und 2 bereits beschrieben als Kaskade aufgebaut. Er liefert dem motorseitigen Regler 3.1 über die Verbindung r Korrekturgrößen für die motorseitige Regelung. Die Korrekturgrößen sind beispielsweise ein Wert für ein Zusatzdrehmoment. Über den Schalter S₁ in der Verbindung r kann die lastseitige Regelung in Notfällen deaktiviert werden.
Über die Schalter S₂ bis S₄ in den Verbindungen l, m, s können drei Neuronale Netze zugeschaltet werden.
Ein Neuronales Netz 11 trainiert das periodische Lastmoment und unterstützt dadurch den Beobachter 7, wobei das Neuronale Netz 11 über die Verbindung m mit dem Beobachter 7 verbunden ist. Vom Beobachter 7 erhält das Neuronale Netz 11 das geschätzte stationäre Lastmoment, wobei das Neuronale Netz 11 ein trainiertes Lastmoment zurück gibt.
Ein Neuronales Netz 10 wird dem motorseitigen Drehzahlregler (in 3.1) über die Verbindung 1 parallel geschalten und verbessert diesen Drehzahlregler dynamisch. Ein Neuronales Netz 12 erhält über die Verbindung s den lastseitigen Schleppfehler, den lastseitigen Drehzahlfehler und die lastseitige Beschleunigung, wobei aus diesen Größen ein Korrekturwinkel für die motorseitige Regelung trainiert wird.
Alle Neuronalen Netze 10 bis 12 erhalten über die elektronische Welle b den Soll-Winkel und die Soll-Drehzahl.
Das Künstliche Neuronale Netz 11 über den Schalter S₃ dient zur adaptiven Winkelkorrektur, mit dem Ziel, sowohl die stationären als auch die dynamischen lastseitigen Schleppfehler, insbesondere die periodischen Anteile durch den Heberschlag, zu kompensieren.
Eine Sollwertkorrektur über Schalter S₂ und Faktor k_M _L lässt den stationären lastseitigen Schleppfehler verschwinden. Es ist zu beachten, dass die Aufschaltung von ML keiner Rückkoppelung entspricht, da es sich bei dem Zweimassensystem um eine technologische Darstellung handelt.
Die 6 zeigt einen Signalflussplan des Register- und Dublierfehlermodells. Das Modell für den Register- und Dublierfehler wird in [Brandenburg, G., Dynamisches Verhalten von Dublier- und Registerfehlern bei Rollenoffset-Druckmaschinen, Tagungsband SPS/IPC/DRIVES 2000, Hüthig-Verlag 2000, S. 698–715] näher erklärt und soll hier nicht weiter beschrieben werden. Dieses Modell für den Register- und Dublierfehler wird durch nachfolgende Schritte und Schaltungsanordnungen natürlich und numerisch stabil.
Das vorliegende Modell wird gespeist von

– der mittleren Maschinengeschwindigkeit v0
– den mittleren Geschwindigkeiten zweier benachbarter Klemmstellen, hier v20 und v30
– den aktuellen Geschwindigkeiten zweier benachbarter Klemmstellen, hier v2 und v3
– den aktuellen Schleppfehlern zweier benachbarter Klemmstellen, hier dx2 und dx3
– der einlaufenden Dehnung x_eps12

– die Dehnung zweier benachbarter Klemmstellen x_eps23
– die Bahnkraft zweier benachbarter Klemmstellen x_F23
– den Registerfehler zweier benachbarter Klemmstellen y_Y23
– den Dublierfehler zweier benachbarter Klemmstellen y_E23

Im Gegensatz zum bisher bekannten Register- und Dublierfehlermodell wurde der geschwindigkeitsabhängige Teil des Registerfehlers stationär und dynamisch äquivalent ersetzt durch einen schleppfehlerabhängigen Anteil. Um die zwischen zwei Klemmstellen vorherrschende Dehnung x_eps23 und die Bahnkraft x_F23 weiterhin richtig zu berechnen, musste ein neuer geschwindigkeitsabhängiger Zweig, hier eps_23B, eingeführt werden.
Die Überführung des natürlich und/oder numerisch instabilen in ein stabiles Differentialgleichungssystem innerhalb eines Signalzweiges soll nachfolgend erläutert werden:
Für den Signalpfad von ν₃ nach Y ^ ₂₃ gilt nach Brandenburg (s. o.):
was stabilisiert werden kann durch
wobei der Term r3·[φ3(s) – φ30(s)] = dx3 dem lastseitigen Schleppfehler entspricht.
Dieser Sachverhalt zur Stabilisation natürlich und/oder numerisch instabiler Teilstrecken gilt allgemein für alle Register-, Schnittregister-, Dublier- und ähnliche Fehlerarten. Besondere Bedeutung hat dieses Verfahren, wenn die beschriebenen Druckfehler mit Hilfe mathematischer Differentialgleichungen in Echtzeit berechnet werden sollen.
Ein zusätzlich ins Modell eingeführter Logik-Block (LOGIC) deaktiviert Modellteile während eines schnellen Arbeitspunktwechsels. Nach einem Arbeitspunktwechsel werden diese Modellteile durch ein Enable-Signal (EN) wieder freigegeben. Das Enable-Signal (EN) wird auf einen Inverter (NOT) geführt, der daraus ein Reset-Signal (R) für den variablen und rücksetzbaren Integrator (Y23 eps) erzeugt. Das Relais K1 schaltet im Zustand EN = 1 das Signal x_eps12 durch, während es bei EN = 0 am Ausgang das Signal "0" liefert.
In 6 ist ein sog. variabler und rücksetzbarer Integrator (Y23 eps) enthalten, dessen Aufbau 7 zeigt. Das Rücksetzen erfolgt bei einem „1"-Signal an Eingang „R" (Reset). Über den Eingang v0 wird die mittlere Maschinengeschwindigkeit als variable Integrationskonstante vorgegeben. Der Eingang u wird integriert und am Ausgang y ausgegeben.
Des weiteren sind in 6 drei variable PT₁-Glieder enthalten (eps23A, eps23B und eps23C), die in 8 dargestellt sind. Über den Eingang T wird die variable Zeitkonstante T vorgegeben, u ist der Eingang und y der Ausgang.
Die Erfindung soll sich nicht nur auf die Anwendung bei einer Druckmaschine und deren Aggregate beschränken. In äquivalenter Weise kann die Erfindung auch an nachfolgend aufgeführte Anwendungsbeispiele analog angewendet werden.
Die Erfindung kann bei schwingungsfähigen, elastischen Mehrkörpersystemen, insbesondere Antriebsstränge, Roboter und elastische Handlingsysteme, Kräne, Leichtbaustrukturen, Mikrosysteme, Piezoaktoren und -systeme, frei schwingende Lasten an Seilen und Ketten, Verbrennungsmotoren, Momentenrippel bei rotatorischen und Kraftrippel bei translatorischen Antrieben, kontinuierlichen Fertigungsanlagen, insbesondere Anlagen mit durchlaufenden Bahnen wie Papiermaschinen, Druckmaschinen, Walzwerke und Drahtziehmaschinen, sowie Seilbahnen, Komponenten von Bogen- und Rollendruckmaschinen sowie Kopierern und Schnelldruckern, insbesondere Ab- und Aufwickler, Druckeinheiten, Kühleinheiten, Wendeaufbau, Falzapparate und deren Funktionselemente, Falzklappenzylinder, Falzmesserzylinder, Messerzylinder, verwendet werden.
Die Erfindung kann auch zur regelungstechnischen Verbesserung bei Lagern, insbesondere Magnet- und Luftlager, magnet- und luftgelagerte rotatorische und lineare Antriebe, Magnetschwebebahnen und -systeme, verwendet werden. Erwähnenswert ist, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Längsschwingungen (Schwingungen in Transportrichtung) und -störungen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, Magnetschwebebahnen, Schiffsverbänden, Straßenfahrzeugen, frei schwingenden Lasten (horizontal und vertikal) und Seilbahnen, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden können. Außerdem können Querschwingun gen (Schwingungen quer zur Transportrichtung) und -störungen, insbesondere bei Magnetschwebebahnen, Schiffen, Booten, Straßenfahrzeugen und frei schwingenden Lasten, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden.
Mit der Vorrichtung können Schwingungen und Störungen bei fliegenden und schwebenden Objekten, insbesondere bei Flugzeugen, Zeppelinen, Raketen, Satelliten, Magnetschwebebahnen, und frei schwingenden Lasten, aktiv und/oder adaptiv bedämpft werden.
Mit Hilfe der Vorrichtung können Bahnverfolgungs- und Fahrerassistenzsysteme (FAS), insbesondere Autopilot, elektronischer Co-Pilot, HC (Heading Control = Spurführungshilfe, Querregelung), Tempomat, ACC (Autonomous Cruise Control = abstandsgeregelter Tempomat, Längsregelung), AGP (Aktives Gaspedal), CAS (Collision Avoidance System = Kollisionsvermeidung durch Ausweichen/Bremsen) und elektronische Deichsel, eingesetzt insbesondere bei Flugzeugen, Zeppelinen, Raketen, Satelliten, Schiften, Booten, Fahrzeugverbänden und führerlosen Transportsystemen, regelungstechnisch verbessert werden. Es können auch Stabilisierungs-, Bahnstabilisierungs- und Fahrerassistenzsysteme (FAS), insbesondere ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm), HC, Tempomat, ACC, AGP, CAS, aktive und/oder passive Lenksysteme, Autopilot und elektronischer Co-Pilot, eingesetzt insbesondere bei . Personen- und Lastkraftwagen, sowie bei Omnibussen, Flugzeugen, Zeppelinen, Flugzeugfahrwerken, Schiffen und Booten, regelungstechnisch verbessert werden. Mit der Vorrichtung können auch Beschleunigungs- und Bremssysteme sowie Systeme zu deren Unterstützung, insbesondere ABS (Anti-Blockier-System) und ASR (Anti-Schlupf-Regelung), ACC, AGP, CAS, bei Personen- und Lastkraftwagen, sowie bei Omnibussen und Flugzeugfahrwerken, regelungstechnisch verbessert werden. Aktive Feder-Dämpfersysteme, insbesondere bei Personen- und Lastkraftwagen sowie bei Omnibussen und Flugzeugfahrwerken, können regelungstechnisch verbessert werden.
Bezugszeichenliste

Claims

Regelvorrichtung eines Antriebssystems, insbesondere eines elektrischen Antriebs (4) einer Druckmaschine mit Drehzahl- und Lageregelung sowie unterlagerter Drehmomentregelung (3.1) unter Verwendung eines motorseitigen Drehgebers (4.2), aus dessen Signalen die motorseitigen Größen Drehwinkel, Drehzahl und Beschleunigung bestimmbar sind, wobei das Antriebssystem noch einen Sollwertgenerator (2) und einen Stromrichter (3.2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Beobachters (7) lastseitige Daten (n, o) berechenbar sind, der Beobachter (7) eingangsseitig mit dem motorseitigen Regler (3.1), dem Stromrichter (3.2) und dem motorseitigen Drehgeber (4.2) und ausgangsseitig mit einem lastseitigen Regler (8) verbindbar ist, wobei der Beobachter (7) einen lastseitigen Schleppfehler (n, o) aus einem antriebsseitigen Schleppfehler (d) und einem Torsionswinkel der Antriebswelle berechnet, dem lastseitigen Regler (8) Größen, insbesondere eine Soll-Drehzahl (b) vom Sollwertgenerator (2), sowie Lastmoment (n), Ist-Drehzahl der Last (n) und der lastseitige Schleppfehler (n) vom Beobachter (7) übermittelbar und daraus für den motorseitigen Regler (3.1) Stell- und Korrekturwerte berechen- und vorgebbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrößenaufschaltung dem Stromrichter (3.2) das Lastmoment und dem motorseitigen Regler (3.1) einen Korrekturwinkel zur Kompensation des lastseitigen Schleppfehlers vorgibt, der aus dem Lastmoment und der Wellensteifigkeit berechenbar ist.
Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Regler (3.1) als PI-Regler oder P-Regler ausgeführt ist, wobei bei Verwendung eines P-Reglers die Vorgabe des Lastmoments über die Störgrößenaufschaltung den I-Anteil bei der alternativen Verwendung eines PI-Reglers ersetzt und somit bleibende stationäre motorseitige Schleppfehler vermeidbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des aus dem antriebsseitigen Schleppfehler und dem Torsionswinkel der Antriebswelle berechneten lastseitigen Schleppfehlers ein periodisches Zurücksetzen des Lastwinkels entfallen kann, wobei keine Initialisierung des Anfangslastwinkels erforderlich ist.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lastseitige Regler (8) in einer Kaskadenstruktur aufgebaut ist und mit dem motorseitigen Regler (3.1) in Kontakt steht, wobei die lastseitige Kaskade für Lastdrehzahl und Lastlage identisch dem motorseitigen Regler (3.1), insbesondere der motorseitigen Kaskade für Motordrehzahl und Motorlage, aufgebaut ist.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrössenaufschaltung im lastseitigen Regler (8) integriert ist oder eigenständig aufgebaut ist.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Beobachter (7) ein Neuronales Netz (11) zu einer Funktionsapproximation eines stationären und eines periodischen Störmomentes zuschaltbar ist.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem lastseitigen Regler (8) ein Neuronales Netz (12) zu einer Funktionsapproximation zur Kompensation des lastseitigen Schleppfehlers zuschaltbar ist.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem motorseitigen Regler (3.1) ein Neuronales Netz (10) zu einer Funktionsapproximation, insbesondere zu einer dynamischen Verbesserung des Drehzahlreglers, zuschaltbar ist.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Neuronale Netz (10, 11, 12) mit Radial-Basisfunktionen (RBF) aufgebaut ist.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Neuronalen Netz (10, 11, 12) mittels sinusförmiger Basisfunktionen besonders steile aber dennoch glatte Kurvenzüge approximieren lassen, wobei sich insbesondere cos² – basierte Funktionen eignen.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten (o, n) des Beobachters (7) oder von lastseitigen Messgebern einem Register- und Dublierfehlermodell (9) übermittelbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Register – und Dublierfehlermodell (9) zur Regelung des Antriebssystems und/oder zur Durchführung von Diagnosefunktionen, insbesondere zur Protokollierung der Druckqualität über den Zeitraum des Druckprozesses, verwendbar ist, wobei die Diagnosefunktionen zeitgleich zum Druckprozess durchführbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Register- und Dublierfehlermodell (9) nur mit lastseitigen Winkeln gespeist wird, wodurch es natürlich und numerisch stabil das Kleinsignalverhalten des Register- und Dublierfehlers im gesamten Arbeitsbereich richtig wiedergibt, wobei dieses Modell in Echtzeit arbeitet.
Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Störfällen oder sonstigen Ausnahmesituationen durch die motorseitige Kaskade Notlaufeigenschaften gewährleistet werden.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Parameter der Mechanik, beispielsweise das Massenträgheitsmoment des Motors und das der Last, die Wellensteifigkeit und die Dämpfung der Antriebswelle, die für den Beobachter (7) erforderlich sind, ohne zusätzliche Geber identifizierbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Parameter der Mechanik mittels einer Frequenzganganalyse ermittelbar sind.
Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl translatorische Antriebssysteme, vorzugsweise ein Werkzeugmaschinenschlitten, als auch rotatorische Antriebssysteme, vorzugsweise eine Druckmaschine und deren Aggregate und Komponenten, regelbar sind.
Regelvorrichtung zur Kompensation von periodischen und/oder aperiodischen Störungen, einen Regler (3.1) und einen Geber (4.2) zur Geschwindigkeits- oder Vorschub- oder Drehzahl- und/oder Lageregelung aufweisend, wobei aus den Signalen des Gebers (4.2) zu regelnde Größen, insbesondere Position eines zu regelnden Systems (4), vorzugsweise Drehwinkel oder Drehzahl oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung bestimmbar sind, wobei die Regelvorrichtung noch einen Sollwertgenerator (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Beobachters (7) lastseitige Daten (n, o) berechenbar sind, der Beobachter (7) eingangsseitig mit dem systemseitigen Regler (3.1) und dem Geber (4.2) und ausgangsseitig mit einem lastseitigen Regler (8) verbindbar ist, wobei der Beobachter (7) einen lastseitigen Schleppfehler (n, o) aus systemseitigen Schleppfehler (d) und Ist-Position des zu regelnden Systems (4) berechnet, dem lastseitigen Regler (8) Größen, insbesondere eine Soll-Drehzahl (b) oder Soll-Geschwindigkeit (b) vom Sollwertgenerator (2), sowie Lastmoment (n), Ist-Geschwindigkeit der Last (n) und der lastseitige Schleppfehler (n) vom Beobachter (7) übermittelbar und daraus für den Regler (3.1) Stell- und Korrekturwerte für das System (4) berechen- und vorgebbar sind.
Regelvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das System (4) ein elektrischer Antrieb (4) einer Druckmaschine mit Drehzahl- und Lageregelung sowie unterlagerter Drehmomentregelung (3.1) ist und einen Stromrichter (3.2) umfasst, der Beobachter (7) eingangsseitig mit dem Stromrichter (3.2) verbindbar ist, wobei der Beobachter (7) den lastseitigen Schleppfehler (n, o) aus dem antriebsseitigen Schleppfehler (d) und dem Torsionswinkel der Antriebswelle berechnet, dem lastseitigen Regler (8) Größen, insbesondere eine Soll-Drehzahl (b) vom Sollwertgenerator (2), sowie Lastmoment (n), Ist-Drehzahl der Last (n) und lastseitiger Schleppfehler (n) vom Beobachter (7) übermittelbar und daraus für den motorseitigen Regler (3.1) Stell- und Korrekturwerte berechen- und vorgebbar sind.