DE19634923A1 - Regulating non-linear engineering process e.g. DC machine field weakening or multi-axle robot movement behaviour - Google Patents

Regulating non-linear engineering process e.g. DC machine field weakening or multi-axle robot movement behaviour

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Abstract

The method of regulation is used especially for regulating the torque at a motor shaft of separately excited DC machines using field weakening for speed variation or three-phase AC machines in a field weakening context or for active damping of the elastic vibrations of load cable of transporter crane. The non-linear technical process is linearised using the parallel circuit of a desired model, with the associated non-linear technical process. The desired model is integrated in the deviation observer, and it possesses only the linear part of the technical process and/or a representative operating circumstance. The behaviour of the desired model is forced in this manner to the non-linear technical process.

Description

Grundsätzlich sind alle technische Prozesse nichtlinear (Lehrbuch, Reuter "Regelungstechnik für Ingenieure", 1991, Vieweg-Verlag, Seite 218). Bei schwach nichtlinearen Prozessen kann diese Eigenschaft einfach ignoriert werden, und man erzielt bei der Regelung dieser Prozesse, wie die Praxis zeigt, trotzdem zufriedenstellende Ergebnisse. Ist der technische Prozeß jedoch hochgradig nichtlinear (im folgenden auch als reales System bezeichnet), wie beispielsweise das Moment einer fremderregten Gleichstrommaschine im Feldschwächbereich (Lehrbuch, Dirk Schröder, "Elektrische Antriebe 2", 1995, Springer Verlag, Seiten 314 bis 333) oder Gleichstromhauptantriebe in Feldschwächbereich (Handbuch, H. Rentzsch, "Elektromotoren", 1992, ABB, Seiten 290 bis 291) oder das Bewegungsverhalten eines Mehrachsenroboters (Zeitschrift "Regelungstechnik", 28, 1980, E. Freund und H. Hoyer, Seiten 80-87 und 116- 126), so wird bisher durch eine Linearisierung um einen Arbeitspunkt, eine Lösung gesucht. Dieser Weg ist aufwendig und hat oft einen stark eingeschränkten Arbeitsbereich zur Folge. Will man trotzdem einen größeren Arbeitsbereich abdecken, so muß ein sogen. Kennfeld z. B. experimentell erstellt werden, in dem die geeigneten Reglerdaten für die jeweiligen Ar­ beitspunkte abgelegt sind. Hinzu kommen oft noch zusätzliche nichtlineare Glieder und ent­ sprechende Umschaltmechanismen, die dafür sorgen, daß im richtigen Augenblick die richti­ gen Reglerdaten zur Wirkung kommen (Lehrbuch, Dirk Schröder, "Elektrische Antriebe 2", 1995, Springer Verlag, Seiten 318 bis 333 und 368 bis 374). In vielen Fällen versagen diese Verfahren, wenn die Streckenparameter ungenau bekannt sind oder wenn sie sich während des Betriebes wesentlich ändern. Selbst der Einsatz sogen. Fuzzy-Regler (Fachbuch, Thomas Tilli, "Automatisierung mit Fuzzy-Logik", Franzis-Verlag, 1992, Seite 223 bis 224) fährt in diesem Fall zu einem explosionsartigen Anwachsen der benötigten Regeln, was einen hohen Realisie­ rungsaufwand mit sich bringt (Zeitschrift "Automatisierungstechnik", 6, 1994, G. Ludyk, G- J. Menken, Seiten 264).Basically, all technical processes are non-linear (textbook, Reuter "control engineering für Ingenieure ", 1991, Vieweg-Verlag, page 218). With weakly non-linear processes can this property is simply ignored and you achieve in regulating these processes, as practice shows, nevertheless satisfactory results. However, the technical process is highly non-linear (hereinafter also referred to as a real system), for example the moment of an externally excited DC machine in the field weakening range (textbook, Dirk Schröder, "Electrical drives 2", 1995, Springer Verlag, pages 314 to 333) or DC main drives in the field weakening range (manual, H. Rentzsch, "Elektromotoren", 1992, ABB, pages 290 to 291) or the movement behavior of a multi-axis robot (Journal "Regelstechnik", 28, 1980, E. Freund and H. Hoyer, pages 80-87 and 116- 126), a solution has so far been sought by linearization around an operating point. This route is complex and often results in a very restricted work area. If you still want to cover a larger work area, a so-called. Map z. B. are created experimentally, in which the suitable controller data for the respective Ar working points are stored. In addition, there are often additional nonlinear terms and ent speaking switching mechanisms that ensure that the right moment at the right time controller data come into effect (textbook, Dirk Schröder, "Electrical drives 2", 1995, Springer Verlag, pages 318 to 333 and 368 to 374). In many cases, these fail Procedure if the route parameters are inaccurately known or if they change during the Change operations significantly. Even the use of so-called Fuzzy controller (technical book, Thomas Tilli, "Automation with fuzzy logic", Franzis-Verlag, 1992, pages 223 to 224) runs in this Fall to an explosive increase in the required rules, which is highly realistic costs involved (magazine "Automatisierungstechnik", 6, 1994, G. Ludyk, G- J. Menken, pages 264).

Dem im Patentanspruch angegebenen Verfahren liegt das Problem zugrunde, eine große Zahl von Verfahren zur Linearisierung technischer Prozesse, die jeweils sehr komplizierte und aufwendige Einzellösungen darstellen, auf ein vereinfachtes Verfahren zu vermindern. The problem specified in the claim is based on the problem, a large number of processes for linearizing technical processes, each of which is very complicated and represent complex individual solutions to reduce to a simplified process.  

Mit Hilfe des Abweichungsbeobachters 1 (siehe Bild 1) mit Abweichungsfilter 5, kann man einem realen System 2 ein dynamisches Verhalten in Form eines Wunschmodell 3 aufzwin­ gen. Die Differenz 4 zwischen dem realen System und dem Wunschmodells wird als Fehler e(t) interpretiert und über das Abweichungsfilter 5, kompensierend 6, dem realen System auf­ geschaltet. Es findet auf diese Weise eine Linearisierung statt. Eine übergeordnete Regelung 7 kann dann so entworfen werden, als wäre das reale System zusammen mit dem Abwei­ chungsbeobachter linear. Der Abweichungsbeobachter wird aus analogen Bauelementen (Analogrechner) oder als Algorithmus in einem digitalen Rechner realisiert. Der Aufbau des Abweichungsbeobachters basiert auf dem Prinzip des Luenberger-Beobachters. Der Luenber­ ger-Beobachter (Lehrbuch, Otto Föllinger, "Regelungstechnik", Hüthig-Verlag, 1994, Seite 501 bis 505) ist jedoch nur für lineare Systeme definiert. Ferner wird der Abweichungsbeob­ achter nicht aus einem exakten Prozeßmodell wie der Luenberger-Beobachter gebildet, son­ dern aus einem Wunschmodell. Im Gegensatz zum Luenberger-Beobachter werden hier auch keine Zustandsvariablen rekonstruiert, sondern Abweichungen zwischen dem realen System und dem im Abweichungsbeobachter innewohnenden Wunschmodell. Das Wunschmodell 3 sollte als Zustandsraummodell (Lehrbuch, H. Unbehauen, "Regelungstechnik II", 1993, Vie­ weg-Verlag), (Lehrbuch, E. Freund, Regelungssysteme im Zustandsraum, 1987, Olden­ bourg-Verlag, Seiten 25 bis 36) in Form von A = Systemmatrix, b = Eingangsvektor und c = Ausgangsvektor oder Meßvektor beschrieben werden. Es kann analytisch und/oder experi­ mentell z. B. mit einer rechnergestützten Identifikationssoftware ermittelt werden. Für eine stabile Berechnung des Fehlers sorgen die Verstärkungsfaktoren 8 in dem Beobachterverstär­ kungsvektor = h. Wie die Zeichnung weiterhin zeigt, werden dazu das reale System und der Abweichungsbeobachter parallel geschaltet; das heißt das reale System und der Abwei­ chungsbeobachter (bzw. sein Eingangsvektor b) werden mit denselben Stellgrößen, was von einem übergeordneten gängigen Regler (PID-, Zustands-, Fuzzy-Regler, etc.) kommt, ange­ regt. Zur Ermittlung der Abweichung wird eine geeignete Meßgröße y des realen Systems, z. B. das Moment auf der Motorwelle (mit Hilfe einer Momentenmeßwelle), mit der zugehöri­ gen Ausgangsgröße des Wunschmodells verglichen, indem man bei 4 die Differenz (y - ) bildet. Diese Differenz wird über den h Vektor verstärkt und in das Wunschmodell zurückge­ koppelt. Dort sorgt diese Rückkopplung, wie bereits erwähnt, zunächst für eine stabile Be­ rechnung des Fehlers e(t). Dieser bleibende Fehler wird mit Hilfe des Abweichungsfilters 5 auf die Abweichungsgröße a(t) verstärkt und über die Summierstelle 6 dem realen System kompensierend aufgeschaltet. Das Abweichungsfilter p kann analytischWith the help of the deviation observer 1 (see figure 1) with the deviation filter 5 , dynamic behavior in the form of a desired model 3 can be imposed on a real system 2. The difference 4 between the real system and the desired model is interpreted as error e (t) and via the deviation filter 5 , compensating 6, the real system switched on. Linearization takes place in this way. A higher-level control 7 can then be designed as if the real system were linear together with the deviation observer. The deviation observer is implemented from analog components (analog computer) or as an algorithm in a digital computer. The structure of the deviation observer is based on the principle of the Luenberger observer. However, the Luenberger watcher (textbook, Otto Föllinger, "Regelstechnik", Hüthig-Verlag, 1994, pages 501 to 505) is only defined for linear systems. Furthermore, the deviation observer is not formed from an exact process model like the Luenberger observer, but from a desired model. In contrast to the Luenberger observer, no state variables are reconstructed here, but rather deviations between the real system and the desired model inherent in the deviation observer. The desired model 3 should be used as a state space model (textbook, H. Unbehauen, "Regelstechnik II", 1993, Vie weg-Verlag), (textbook, E. Freund, control systems in the state space, 1987, Olden bourg-Verlag, pages 25 to 36) in Form of A = system matrix, b = input vector and c = output vector or measurement vector can be described. It can be analytical and / or experimental, e.g. B. can be determined with computer-aided identification software. The gain factors 8 in the observer gain vector = h ensure a stable calculation of the error. As the drawing also shows, the real system and the deviation observer are connected in parallel; that is, the real system and the deviation observer (or its input vector b) are excited with the same manipulated variables, which comes from a higher-level common controller (PID, status, fuzzy controller, etc.). To determine the deviation, a suitable measured variable y of the real system, e.g. B. the torque on the motor shaft (with the help of a torque measuring shaft), with the corresponding output variable of the desired model compared by forming the difference (y -) at 4. This difference is amplified via the h vector and fed back into the desired model. There, as already mentioned, this feedback initially ensures a stable calculation of the error e (t). This permanent error is amplified to the deviation quantity a (t) with the aid of the deviation filter 5 and applied to compensate the real system via the summing point 6 . The deviation filter p can be analytical

p = [cT(hcT - A)-1b]-1 (1)p = [c T (hc T - A) -1 b] -1 (1)

oder auch experimentell (man beginnt mit sehr kleinen Werten von p und vergrößert diese schrittweise, bis sich zufriedenstellende Ergebnisse einstellen) bestimmt werden. Abweichun­ gen zwischen realem System und dem Modell werden auf diese Weise dynamisch eliminiert. Enthält das Wunschmodell beispielsweise nur die linearen Eigenschaften des realen Systems, dann findet durch dieses Verfahren eine Linearisierung des Gesamtsystems (reales System plus Abweichungsbeobachter) statt. Das Wunschmodell sollte dennoch die wichtigsten linea­ ren Eigenschaften des nichtlinearen technischen Prozesses beschreiben. Zum Beispiel besitzen die translatorischen (Position x(t)) und rotatorischen (Winkel ϕ(t)) Bewegungen eines Ma­ nipulators oder Roboters jeweils doppeltes integrales Verhalten (sie werden durch das New­ tonsche Gesetz F = m * a bzw. M = J * α, mit F = beschleunigende Kraft, m = Masse, a = Beschleunigung, M = beschleunigendes Moment, J = Trägheitsmoment und α = Winkelbeschleunigung beschrieben). Diese Systemeigenschaften sollen gemäß der obigen Gleichungen im Wunschmodell enthalten sein. Die nichtlinearen Eigenschaften des realen Systems wie Coriolis-Moment, Zentrifugalkraft und Reibung hingegen können bei der Er­ stellung des Wunschmodells entfallen. Somit besteht das Wunschmodell nur aus den linearen Systemeigenschaften, die mit dem oben erwähnten Newtonschen Gesetz hinreichend be­ schrieben sind. Auf diese Weise ist es möglich, die störenden nichtlinearen Effekte, die die Kontrolle der Bewegungsabläufe des technischen Prozeß (Roboter) erschweren, zu eliminie­ ren. Die Entwurfsfreiheiten für das Wunschmodell gegenüber dem reale System dürfen jedoch nicht überzogen werden, da sonst das Verfahren wirkungslos bleibt. Eine Linearisierung des realen Systems kann nur wirkungsvoll durchgefährt werden, solange die Stellenergie (z. B. Stromrichter) nicht ihre Grenzen (z. B. Motorgrenzströme) erreicht hat. Im übergelagerten Re­ gelkreis können dann sämtliche Regelungskonzepte (PID-, Zustands-, Fuzzy-Regler etc.) an­ gewandt werden.or also experimentally (you start with very small values of p and gradually increase them until you get satisfactory results). In this way, deviations between the real system and the model are dynamically eliminated. If, for example, the desired model only contains the linear properties of the real system, this process then linearizes the overall system (real system plus deviation observer). The desired model should nevertheless describe the most important linear properties of the nonlinear technical process. For example, the translatory (position x (t)) and rotary (angle ϕ (t)) movements of a manipulator or robot each have double integral behavior (they are determined by Newton's law F = m * a and M = J * α, described with F = accelerating force, m = mass, a = acceleration, M = accelerating moment, J = moment of inertia and α = angular acceleration). These system properties should be included in the desired model according to the equations above. The non-linear properties of the real system such as Coriolis torque, centrifugal force and friction, however, can be omitted when creating the desired model. Thus, the desired model consists only of the linear system properties, which are sufficiently described with Newton's law mentioned above. In this way, it is possible to eliminate the disruptive nonlinear effects that make it difficult to control the movement sequences of the technical process (robot). However, the design freedom for the desired model in relation to the real system must not be exaggerated, since otherwise the method remains ineffective . Linearization of the real system can only be carried out effectively as long as the actuating energy (e.g. power converter) has not reached its limits (e.g. motor limit currents). All control concepts (PID, status, fuzzy controllers, etc.) can then be used in the higher-level control loop.

Das neue Verfahren arbeitet ohne Kennfeld und benötigt keine Umschaltmechanismen. Dar­ über hinaus ist es vom Ansatz her unempfindlich gegenüber ungenau bekannten Streckenpa­ rametern oder Veränderungen der Streckenparameter während des Betriebes. Der Realisie­ rungsaufwand ist gering. Der Arbeitsbereich ist groß und wird lediglich durch die sinnvolle Begrenzung der Stellglieder (z. B. Stromrichter) eingeschränkt. The new process works without a map and does not require any switching mechanisms. Dar In addition, it is insensitive to inaccurately known route pairs parameters or changes in route parameters during operation. The Realisie effort is low. The work area is large and is only due to the sensible Limitation of the actuators (e.g. power converter) limited.  

Anwendungsbeispiele sind: Zugkraftregelung (überall dort, wo mit Gleichstrommaschinen über einen großen Drehzahlbereich eine konstante Zugkraft (bzw. Moment) eingehalten wer­ den muß). Das Wunschmodell berechnet sich dann aus dem Motorverhalten im Ankerstellbe­ reich (wo das Moment der Maschine weitestgehend konstant ist über die Drehzahl, wo dem­ nach ein linearer Zusammenhang zwischen diesen Größen besteht). Denn im Feldschwächbe­ reich ist die Gleichstrommaschine hinsichtlich des Momentes ein nichtlineares System. Kon­ stante Zugkräfte werden z. B. auch in der papiererzeugenden Industrie beim automatischen Auf- und Abwickeln von Papierrollen benötigt oder in Walzwerken. Auch Kraftfahrzeugprüf­ stände müssen zur Simulation von Bergauf- und Bergabfahrten über eine konstante Zugkraf­ tregelung verfügen. Als weiteres Einsatzgebiet ist die Nichtlineare Entkopplung von Mehrachsenrobotern oder NC-Maschinen zu nennen. Das Verfahren kann auch bei der aktiven Kompensation der elastischen Schwingungen beim Verfahren von Verladebrücken (das Starr­ körpermodell wird als Wunschmodell entworfen, und die Elastizität ist als abweichendes Ver­ halten im realen Prozeß enthalten) verwendet werden.Application examples are: Traction control (wherever with DC machines a constant tractive force (or moment) is maintained over a large speed range that must). The desired model is then calculated from the engine behavior in the anchor position rich (where the moment of the machine is largely constant over the speed, where the there is a linear relationship between these quantities). Because in the field weakening The DC machine is rich in terms of torque, a non-linear system. Con constant tensile forces are z. B. also in the paper-making industry in the automatic Winding and unwinding of paper rolls required or in rolling mills. Also motor vehicle test Stands have to have a constant tractive force to simulate uphill and downhill runs regulation. Another area of application is the non-linear decoupling of To name multi-axis robots or NC machines. The procedure can also be active Compensation of elastic vibrations when moving loading bridges (the rigid body model is designed as a desired model, and the elasticity is as a different ver keep contained in the real process) can be used.

Die prinzipielle Funktionsweise der Linearisierung mit Hilfe des Abweichungsbeobachters wird in dem Bild 1 dargestellt.The principle of operation of linearization using the deviation observer is shown in Figure 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is described in more detail below.  

AnwendungsbeispielApplication example Zugkraftregelung eines Fahrzeugrollenprüfstandes der mit einer fremd­ erregten Gleichstrommaschine betrieben wirdTraction control of a vehicle chassis dynamometer with a third party excited DC machine is operated GrundlagenBasics

Fahrzeugrollenprüfstände werden für Untersuchungen an Kraftfahrzeugen verwendet. Um realistische Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, Versuche bei bestimmten Fahrsitua­ tionen durchzuführen.Vehicle roller test benches are used for tests on motor vehicles. In order to get realistic results, it is necessary to test in certain driving situations cations.

Fahrzeugrollenprüfstände, wie sie üblicherweise gebaut werden (z. B. Firma Zöllner) bestehen aus zwei Rollensätzen, auf die das Fahrzeug mit seinen antreibenden Rädern gestellt wird. Diese Rollen bilden die Straßenoberfläche nach. Sie werden von einer regelbaren Gleichstrommaschine angetrieben.Vehicle roller test stands, as they are usually built (e.g. Zöllner) from two sets of rollers on which the vehicle is placed with its driving wheels. These roles replicate the road surface. You are regulated by an DC machine driven.

Die Realisierung bestimmter Fahrsituationen erfolgt mit Hilfe verschiedener Regelungskon­ zepte. Eine Betriebsart des Rollenprüfstandes ist die Zugkraftregelung, die dazu dient, unter­ schiedliche Belastungen, die während einer Geradeausfahrt und/oder Bergauf- und Bergab­ fahrt auf das Fahrzeuges wirken, nachzubilden.Certain driving situations are implemented with the help of various control cones scepters. One mode of operation of the dynamometer is the traction control, which serves under different loads during a straight line and / or uphill and downhill effect on the vehicle to simulate.

Definition des Begriffs "Zugkraft":
Bei der Geradeausfahrt wirken dem Fahrzeug Kräfte entgegen. Sie entstehen u. a. aus dem Fahrtwind, der quadratisch mit der Geschwindigkeit zunimmt, aus der Massenträgheit des Autos bei einer Beschleunigungsänderung, aus der auftretenden Reibung zwischen Straßen­ oberfläche und dem Fahrzeugrad oder auch durch die Fahrbahnneigung.Definition of the term "traction":
Forces counteract the vehicle when driving straight ahead. They arise, among other things, from the headwind, which increases quadratically with speed, from the inertia of the car when there is a change in acceleration, from the friction that occurs between the surface of the road and the vehicle wheel, or from the inclination of the road.

Diese Kräfte werden auf die drehenden Rollen des Prüfstandes übertragen und stellen dort eine rotatorische Bewegung dar. Die dabei an der Rollenoberfläche erzeugte Kraft wird als Zugkraft bezeichnet. Sie wirkt für die Antriebsräder des Autos als Gegenkraft und belastet das Fahrzeug mechanisch.These forces are transferred to the rotating rollers of the test bench and set there represents a rotational movement. The force generated on the roller surface is called Designated traction. It acts as a counterforce for the drive wheels of the car and puts a strain on it Vehicle mechanically.

Mit dem Bild 2 soll der Zusammenhang zwischen Kraft und Moment an einer Rolle erläutert werden. Figure 2 explains the relationship between force and moment on a roll.

Für das Drehmoment gilt die Definition:The definition for torque applies:

M = F · rM = F · r

mit: M = Drehmoment in [Nm]
F = Kraft in [N]
r = Wirkabstand (Rollenradius) in [m]with: M = torque in [Nm]
F = force in [N]
r = effective distance (roller radius) in [m]

Das Produkt aus Kraft F und Wirkabstand r heißt Drehmoment. Der Wirkabstand ist der senkrechte Abstand zwischen dem Drehpunkt (Achse) und der Wirkungslinie der Kraft F und entspricht dem Rollenradius.The product of force F and effective distance r is called torque. The effective distance is that vertical distance between the fulcrum (axis) and the line of action of the force F and corresponds to the roller radius.

An der Achse der die Rollen antreibenden Gleichstrommaschine muß somit ein Drehmoment erzeugt werden. Aus diesem Grund wird für die Gleichstrommaschine eine Drehmomentre­ gelung entworfen, die in der Praxis allgemein als Zugkraftregelung bezeichnet wird.Torque must therefore be applied to the axis of the DC machine driving the rollers be generated. For this reason, a torque re is used for the DC machine designed, which is commonly referred to in practice as traction control.

Die Entwicklung neuer Regelungskonzepte erfordert eine Erprobung am Rollenprüfstand. Eine reale Anlage steht hierfür allerdings nicht ständig zur Verfügung. Deshalb werden die Regelungskonzepte an einer Modellanlage erprobt, die einem Fahrzeugrollenprüfstand im Maßstab 1 : 50 elektrisch nachgebildet ist, so daß eine Übertragung auf die reale Anlage gege­ ben ist.The development of new control concepts requires testing on the dynamometer. However, a real system is not always available for this. That's why they are Control concepts tested on a model system that are used in a vehicle chassis dynamometer Scale 1: 50 is electrically simulated, so that a transfer to the real system ben is.

Beschreibung der ModellanlageDescription of the model system

Die Modellanlage läßt sich in folgende Bereiche unterteilen:The model system can be divided into the following areas:

  • - mechanischer Aufbau- mechanical construction
  • - Ansteuerung und Regelung der Maschinen- Control and regulation of the machines
  • - Meßwertaufnahme und Verarbeitung- Recording of measured values and processing
Mechanischer AufbauMechanical construction

Zunächst wird der mechanische Aufbau der Modellanlage anhand des Bildes 3 vorgestellt. Die Modellanlage ist aus zwei identischen Maschinensätzen aufgebaut, die auf Grundrahmen montiert und regelungstechnisch miteinander gekoppelt sind. Jeder Maschinensatz bezieht sich auf ein antreibendes Fahrzeugrad. First, the mechanical structure of the model system is presented using Figure 3. The model system is made up of two identical machine sets, which are mounted on a base frame and are coupled to one another in terms of control technology. Each machine set refers to a driving vehicle wheel.

Die Zusammensetzung eines Stranges wird nachfolgend erläutertThe composition of a strand is explained below

Die Belastung des Fahrzeuges durch die Rollen des Fahrzeugrollenprüfstandes wird an der Modellanlage durch eine fremderregte Gleichstrommaschine (1 kW Nennleistung) elektrisch nachgebildet.The load on the vehicle due to the roles of the vehicle chassis dynamometer is measured on the Model system by an externally excited DC machine (1 kW nominal power) electrical replicated.

Mit einer Asynchronmaschine (3 KW Nennleistung) läßt sich das Fahrzeug, das auf dem Prüf­ stand steht, elektrisch simulieren. Beide Maschinen sind über Wellen und Kupplungen me­ chanisch gekoppelt und können somit aufeinander einwirken.The asynchronous machine ( 3 KW nominal power) can be used to electrically simulate the vehicle on the test stand. Both machines are mechanically coupled via shafts and couplings and can therefore interact with each other.

Zwischen den Maschinen befindet sich ein Schwungmassensatz, der der mechanischen Nach­ bildung der Fahrzeugmasse dient und in verschiedenen Abstufungen (1 : 2 : 4) variierbar ist. Diese Schwungmasse ist für das auf dem Prüfstand feststehende Fahrzeug erforderlich; da sich durch seine Masse aber bei einer Beschleunigungsänderung eine Trägheit ergibt, ist diese auf den Prüfstand zu übertragen.There is a flywheel mass set between the machines, which is mechanical education of the vehicle mass serves and can be varied in different gradations (1: 2: 4). This flywheel mass is required for the vehicle that is stationary on the test bench; there if its mass results in inertia when there is a change in acceleration, this is to be transferred to the test bench.

Die Zugkraft wird über eine Drehmomentmeßwelle gemessen, die sich zwischen dem Schwungmassensatz und der Gleichstrommaschine befindet. Sie ist freischwebend zwischen zwei Kupplungsflanschen aufgehängt.The tensile force is measured via a torque measuring shaft, which is between the Flywheel mass set and the DC machine is located. It is floating between two coupling flanges suspended.

Diese Meßwelle wird während des Betriebes auf Torsion beansprucht. Dabei ist der auftre­ tende Torsionswinkel proportional zum Drehmoment. Die Drehmomentmeßwelle ist mit Dehnungsmeßstreifen und einer Auswertelektronik ausgerüstet. Eine Torsionsbeanspruchung der Meßwelle hat eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen zur Folge. Mit Hilfe der Auswertelektronik wird ein analoger Spannungswert als Meßgröße erzeugt, der proportio­ nal zum Drehmoment ist.This measuring shaft is subjected to torsion during operation. Here is the appearance torsional angle proportional to the torque. The torque measuring shaft is with Strain gauges and evaluation electronics. A torsional strain the measuring shaft results in a change in the resistance of the strain gauges. With help The evaluation electronics generates an analog voltage value as a measured variable, the proportio nal to the torque.

Die verwendeten Meßwellen haben einen maximalen Meßbereich von ±20 Nm, welches ei­ nem Spannungswert von ±10 V entspricht. Ihr Meßfehler beträgt ±0.2% vom Endwert und wird durch Nichtlinearität und Hysterese hervorgerufen. Dieser Wert entspricht einem abso­ luten Fehler von M = 0.04 Nm.The measuring shafts used have a maximum measuring range of ± 20 Nm, which ei corresponds to a voltage value of ± 10 V. Your measurement error is ± 0.2% of the final value and is caused by non-linearity and hysteresis. This value corresponds to an abso error of M = 0.04 Nm.

Der Meßbereich der Drehmomentmeßwelle ist allerdings an der Modellanlage auf M = ±5 Nm begrenzt worden, da während des Betriebes durch Resonanzschwingungen Zugkräfte auftre­ ten, die ein Vielfaches des Nennmomentes der Modellanlage (Mn = 4,233 Nm) betragen kön­ nen. The measuring range of the torque measuring shaft has been limited to M = ± 5 Nm on the model system, since tensile forces occur during operation due to resonance vibrations, which can be a multiple of the nominal torque of the model system (M n = 4.233 Nm).

Der sich an der Asynchronmaschine befindliche Inkrementalgeber mit einer Auflösung von 4096 Impulsen/Umdrehung dient dazu, andere für die Regelung erforderliche Meßgrößen wie Drehzahlen, Beschleunigungen oder den Phasenwinkel der Maschinensätze zueinander zu ermitteln.The incremental encoder on the asynchronous machine with a resolution of 4096 pulses / revolution is used to measure other parameters such as Speeds, accelerations or the phase angle of the machine sets to each other determine.

Der vollständige Signalverlauf der Modellanlage ist in Bild 4 dargestellt.The complete signal curve of the model system is shown in Figure 4.

Ansteuerung und Regelung der MaschinenControl and regulation of the machines

Die Ansteuerung der Maschinen in Bild 4 erfolgt über Stromrichter mit Feldspeisegerät bzw. über einen Frequenzumrichter.The machines in Figure 4 are controlled via converters with field supply devices or via a frequency converter.

Die zwei fremderregten Gleichstrommaschinen werden jeweils durch einen Stromrichter der Firma Siemens (Simoreg K 6RA23) gespeist. Der Betrieb im Feldschwächbereich wird mit Hilfe der Feldwicklung realisiert, die über ein separates Feldspeisegerät (Minireg F10) ver­ sorgt wird.The two separately excited DC machines are each powered by a converter Siemens (Simoreg K 6RA23). The operation in the field weakening area is with Realized the field winding, which ver. Via a separate field supply device (Minireg F10) will worry.

Die Ansteuerung der beiden Asynchronmaschinen erfolgt über Frequenzumrichter der Firma AEG (Mikrokonverter MV 7,6), wobei die Maschinen sowohl drehzahl- als auch drehmo­ mentgeregelt betrieben werden können.The two asynchronous machines are controlled by the company's frequency converter AEG (micro converter MV 7.6), where the machines both speed and torque can be operated under ment control.

Die Regelung der Maschinen wird mit Hilfe der Software Matlab/Simulink durchgefährt. Eine Echtzeiterweiterung übernimmt die Verbindung zur Modellanlage. Die Gleichstrommaschine wird über einen Rollenregelrechner, die Asynchronmaschine über einen Signalprozessor ange­ sprochen.The machines are controlled using the Matlab / Simulink software. A Real-time expansion takes over the connection to the model system. The DC machine is indicated via a roller control computer, the asynchronous machine via a signal processor spoke.

MeßwertermittlungDetermination of measured values

Die Messung des auftretenden Drehmoments am Maschinenstrang übernimmt die Momen­ tenmeßwelle, die sich zwischen der Gleichstrommaschine und dem Schwungmassensatz be­ findet.The torque takes over the measurement of the occurring torque on the machine train tenmeßwelle that be between the DC machine and the flywheel mass be finds.

Alle anderen für die unterschiedlichen Regelkonzepte erforderlichen Größen, wie Drehzahl, Beschleunigung und Phasenwinkel der beiden Maschinensätze zueinander, werden aus den Inkrementen zweier Inkrementalgeber, die sich jeweils an der Asynchronmaschine eines Maschinensatzes befinden, ermittelt. Die Auswertung der Inkrementalgebersignale übernimmt eine Meßbox mit Microcontroller. Zunächst erfolgt die Übertragung der Inkrementalgebersi­ gnale zur Vorverarbeitung an die Meßbox. Anschließend werden die daraus resultierenden Informationen seriell über eine RS 232-Schnittstelle an den Rollenregelrechner (Prozeßrechner) mit intelligenter Einsteckkarte (PC Modul 537) bzw. an den Signalprozessor mit einer seriellen Karte (DS 4201) zur Weiterverarbeitung übergeben. Hier berechnet man die Drehzahlen, Beschleunigungen und Phasenwinkel aus den jeweiligen von der Meßbox zur Verfügung gestellten Datensätzen.All other sizes required for the different control concepts, such as speed, Acceleration and phase angle of the two machine sets to each other are calculated from the  Increments of two incremental encoders, each on the asynchronous machine of a machine set are determined. The evaluation of the incremental encoder signals takes over a measuring box with microcontroller. First, the incremental encoder is transferred signals for preprocessing to the measuring box. Then the resulting ones Serial information to the roller control computer via an RS 232 interface (Process computer) with intelligent plug-in card (PC module 537) or to the signal processor handed over with a serial card (DS 4201) for further processing. Here you calculate the speeds, accelerations and phase angles from the respective from the measuring box to Provided records.

Anforderungen an die RegelungRegulation requirements

Die Zugkraftregelung eines Prüfstandes unterliegt bestimmten Anforderungen. Diese Forde­ rungen werden u. a. von der amerikanischen Umweltbehörde EPA (Enviromental Protection Agency) aufgestellt.The traction control of a test bench is subject to certain requirements. This demand stanchions u. a. by the American environmental agency EPA (Enviromental Protection Agency).

Weitere Anforderungen wie hohe Ansprüche an die Genauigkeit der Regelung erheben die Anwender der Prüfstände (z. B. Mercedes Benz, Volkswagen AG).Other requirements such as high demands on the accuracy of the control make the Test bench users (e.g. Mercedes Benz, Volkswagen AG).

Die Forderung der EPA lautet:The EPA demands:

  • - Der Istwert muß in einer Zeit von 100 ms den Sollwert zu 90% erreicht haben (Anregelzeit).- The actual value must have reached 90% of the setpoint within 100 ms (Rise time).

Zur Bestimmung der Genauigkeit einer Regelung wird in der Regelungstechnik ein Toleranz­ band verwendet. Seine Breite steht in engem Bezug zur Anregelzeit. Da die Anregelzeit nach EPA auf 100 ms festgelegt ist, läßt sich zunächst ein Toleranzband von ±10% ableiten. Die Forderungen der Anwender gehen aber für die Genauigkeit mit einem Toleranzband von weniger als ±1% weit über die EPA-Spezifikation hinaus.A tolerance is used in control engineering to determine the accuracy of a control band used. Its width is closely related to the rise time. Since the rise time after EPA is set to 100 ms, a tolerance band of ± 10% can first be derived. The demands of the users go for the accuracy with a tolerance band less than ± 1% far beyond the EPA specification.

Um allen Forderungen gerecht zu werden, wurden bei der Entwicklung der unterschiedlichen Konzepte zwei weitere Anforderungen an die Zugkraftregelung gestellt. In order to meet all requirements, the different Concepts made two additional demands on the traction control.  

Regelungsstruktur für die Zugkraftregelung ohne Abweichungsbeobachter nach Bild 5Control structure for traction control without deviation observer according to Figure 5 Untersuchung der RegeleinrichtungExamination of the control device

Es folgt die Aufzeichnung des Momentenverlaufes der zugkraftgeregelt betriebenen Gleich­ strommaschine mit einer herkömmlichen Drehmomentregeleinrichtung (PI-Regler).This is followed by the recording of the torque curve of the DC operated with traction Current machine with a conventional torque control device (PI controller).

In dem Bild 6 wird die Gleichstrommaschine mit einer konstanten Sollvorgabe sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich betrieben.In Figure 6, the DC machine is operated with a constant setpoint both in the armature setting area and in the field weakening area.

Es ist der Momentenverlauf in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Der Übergang in den Feldschwächbereich erfolgt nach einer Zeit von etwa 9 Sekunden. Im Momentenverlauf kann man von diesem Zeitpunkt an eine bleibende Regelabweichung zwischen Ist- und Sollwert erkennen. Sie wird durch den nichtlinearen Drehmomentabfall der Gleichstrommaschine im Feldschwächbereich hervorgerufen.The torque curve as a function of time is shown. The transition to Field weakening range occurs after a time of about 9 seconds. In the course of moments can From this point on, there is a permanent control deviation between the actual and setpoint detect. It is due to the non-linear torque drop of the DC machine in the Field weakened area caused.

Zugkraftregelung eines Rollenprüfstandes mit einem AbweichungsbeobachterTraction control of a dynamometer with a deviation observer

Die Struktur der gesamten Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter ist in Bild 7 darge­ stellt.The structure of the entire traction control with deviation observer is shown in Figure 7.

Der unterlagerte Regelkreis beinhaltet einen Abweichungsbeobachter, der die Aufgabe hat, störende Einflüsse zu erfassen und diese durch Aufschalten auf den Streckeneingang des rea­ len Systems zu beseitigen. Damit soll ein gleichbleibend gutes Regelverhalten sowohl im An­ kerstellbereich als auch im Feldschwächbereich der Gleichstrommaschine erzielt werden. Die überlagerte Drehmomentregeleinrichtung kann dann für ein lineares, störungsfreies System ausgelegt werden.The subordinate control loop contains a deviation observer, which has the task record disturbing influences and connect them to the track input of the rea len system to eliminate. This should ensure consistently good control behavior both in the Kerstellbereich as well as in the field weakening range of the DC machine can be achieved. The Superimposed torque control device can then be used for a linear, trouble-free system be interpreted.

Die Bestimmung der Parameter des Abweichungsbeobachters ist folgendermaßen vorgenom­ men worden:The parameters of the deviation observer are determined as follows been:

  • 1) Für das Zustandsraummodell wurde zunächst eine rechnergestützte Systemi­ dentifikation durchgefährt, um das Modell des Rollenprüfstandes im Fre­ quenzbereich zu ermitteln.1) A computer-aided system was initially developed for the state space model completed the identification to test the model of the roller dynamometer in the open air to determine the frequency range.
  • 2) Unter Matlab (Softwarepaket) konnten im Anschluß mit Hilfe der "Control- Tool-Box" über ein "m-File" die Parameter für den Abweichungsbeobachter be­ stimmt werden.2) Under Matlab (software package), the "Control Tool-Box "via an" m-File "the parameters for the deviation observer be true.
  • 3) Eine geeignete Lage der Eigenwerte ist experimentell ermittelt worden, um ein gutes Regelverhalten in Bezug auf Einschwingverhalten und stationäre Genauig­ keit der Zugkraftregelung zu erzielen.3) A suitable location of the eigenvalues has been experimentally determined to be a good control behavior with regard to settling behavior and stationary accuracy to achieve traction control.

Es wurde das konjugiert-komplexe Eigenwertpaar BE1/2 = -43 ±j14 gewählt.The complex conjugate eigenvalue pair BE 1/2 = -43 ± j14 was chosen.

Mit dem oben gewählten Eigenwertpaar ergaben sich für den Beobachtungsvektor h und das Abweichungsfilter p ( siehe Gleichung (1) )folgende Werte:With the pair of eigenvalues chosen above, the observation vector h and that resulted Deviation filter p (see equation (1)) the following values:

Zugkraftregelung im gesamten BetriebsbereichTraction control in the entire operating area

In dem Bild 8 ist der Drehmomentverlauf bei Anregung mit einem konstanten Sollwertsprung auf Msoll = 3 Nm über der Zeit dargestellt; zusätzlich ist der Abweichungsverlauf a(t) am Ausgang des Abweichungsbeobachters abgebildet. Die Gleichstrommaschine wird sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich zugkraftgeregelt betrieben.In the Figure 8, the torque curve is when excited by a constant setpoint step change to M = 3 to Nm shown over time; in addition, the course of the deviation a (t) is shown at the exit of the deviation observer. The DC machine is operated both in the armature setting area and in the field weakening area with traction control.

Der Betriebsbereich erstreckt sich in diesem Fall auch auf den Feldschwächbereich, wo der Drehmomentverlauf der Gleichstrommaschine ein nichtlineares Verhalten, hervorgerufen durch die Verringerung des Maschinenflusses Φ, aufweist. Der vorgegebene Sollwert wird im gesamten Betriebsbereich eingehalten. Der Momentenverlauf der Gleichstrommaschine ist qualitativ im Profil der Abweichungsgrö­ ße a(t) wiederzufinden.The operating range in this case also extends to the field weakening range, where the Torque curve of the DC machine caused a non-linear behavior by reducing the machine flow Φ. The specified setpoint is maintained across the entire operating range. The torque curve of the DC machine is qualitative in the profile of the deviation size find a (t) again.

Die Wirkung des Abweichungsbeobachters wird besonders im Feldschwächbereich deutlich. Die Nichtlinearität des Momentenverlaufs wird hier als zusätzliche Regelstellgröße kompen­ sierend aufgeschaltet, so daß der vorgegebene Sollwert ohne bleibende Regelabweichung im gesamten Betriebsbereich vom Momentenistwert des realen Systems eingehalten wird.The effect of the deviation observer is particularly evident in the field weakening area. The non-linearity of the torque curve is compensated here as an additional control variable switched on so that the specified setpoint without permanent control deviation in the entire operating range of the actual torque value of the real system is observed.

Es zeigenShow it

Bild 1 Prinzip des Abweichungsbeobachters Fig. 1 Principle of the deviation observer

Bild 2 Definition der Zugkraft Fig. 2 Definition of traction

Bild 3 Prinzipieller Aufbau der Modellanlage Fig. 3 Basic structure of the model system

Bild 4 Vollständiger Signalflußplan der Modellanlage Fig. 4 Complete signal flow diagram of the model system

Bild 5 Zugkraftregelungs-Struktur ohne Abweichungsbeobachter Figure 5 Tension control structure without deviation observer

Bild 6 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung ohne Abweichungsbeobachter Fig. 6 Torque profile of the traction control without deviation observer

Bild 7 Zugkraftregelungs-Struktur mit Abweichungsbeobachter Figure 7 Traction control structure with deviation observer

Bild 8 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter Figure 8 Torque profile of the traction control with deviation observer

Claims (1)

Verfahren zur Regelung von nichtlinearen technischen Prozessen durch die Linearisierung mit einem Abweichungsbeobachter, insbesondere für die Regelung der Zugkraft [Nm] (dem Mo­ ment an der Motorwelle) von fremderregten Gleichstrommaschinen im Feldschwächbereich oder Drehstromhauptantriebe im Feldschwächbereich oder zur aktiven Dämpfung von elasti­ schen Schwingungen des Lastseiles einer Verladebrücke oder zur robusten Regelung der Fahrgeschwindigkeit (d. h. unabhängig von der Nutzlast wird ein gleichbleibend gutes Fahr­ verhalten erzielt) eines elektrisch betriebenen Gabelstablers oder zur nichtlinearen Entkopp­ lung simultan bewegter Achsen eines Mehrachsenroboters, sind dadurch gekennzeichnet, daß durch Parallelschaltung eines Wunschmodells mit dem zugehörigen nichtlinearen techni­ schen Prozeß, der nichtlineare technische Prozeß linearisiert wird. Das Wunschmodell ist im Abweichungsbeobachter integriert und es besitzt nur die linearen Anteile des technischen Pro­ zesses und/oder einen repräsentativen Betriebsfall. Das Verhalten des Wunschmodells wird auf diese Weise dem nichtlinearen technischen Prozeß aufgezwungen.Process for the control of nonlinear technical processes by linearization with a deviation observer, in particular for the control of the tractive force [Nm] (the moment on the motor shaft) of externally excited DC machines in the field weakening range or three-phase main drives in the field weakening range or for active damping of elastic vibrations of the load rope a loading bridge or for robust control of the driving speed (i.e. regardless of the payload, consistently good driving behavior is achieved) of an electrically operated fork lift truck or for the non-linear decoupling of simultaneously moving axes of a multi-axis robot, are characterized by the parallel connection of a desired model with the associated non-linear technical process, the nonlinear technical process is linearized. The desired model is integrated in the deviation observer and it only has the linear parts of the technical process and / or a representative operating case. In this way, the behavior of the desired model is forced on the nonlinear technical process.
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