Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich einer Regeleinrichtung Method and device for adjusting a control device
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Abgleich einer ersten und einer zweiten Funktionseinheit einer Regeleinrichtung sowie mit der zur Ausführung des Verfahrens zugrundeliegenden Regeleinrichtung selbst.The invention is concerned with a method for balancing a first and a second functional unit of a control device as well as with the control device itself on which the method is based.
Geregelte Systeme mit integrierendem Zweig im Regler weisen strukturbedingte Überschwinger im Führungsverhalten auf. Solche geregelten Systeme kommen beispielsweise bei drehzahlgeregelten AC-Servomotoren oder auch bei druckgeregelten Zylinderantrieben zum Einsatz. Um diese Überschwinger zu reduzieren werden beispielsweise Sollwertfilter eingesetzt, welche abhängig von ihrer Parametrierung die Überschwinger beeinflussen können.Regulated systems with an integrating branch in the controller exhibit structurally overshoots in the guiding behavior. Such controlled systems are used, for example, in speed-controlled AC servomotors or in pressure-controlled cylinder drives. In order to reduce these overshoots, for example, setpoint filters are used which, depending on their parameterization, can influence the overshoots.
Derartige Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass mit der Filterverzögerungszeit ein zusätzlicher Reglerparameter vorliegt, welcher während des Betriebes nachgeführt werden muss, da sich jederzeit die peripheren Gegebenheiten (Regelstreckenparameter) ändern können.However, such designs have the disadvantage that with the filter delay time, an additional controller parameter is present, which must be tracked during operation, since at any time the peripheral conditions (controlled system parameters) can change.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Regeleinrichtung anzugeben, welche eine automatischen Nachführung der zusätzlichen Reglerparameter sicherstellen sowie ein Verfahren anzugeben mittels dessen eine solche automatische Nachführung bewirkt werden kann.The object of the invention is to provide a control device, which ensure an automatic tracking of the additional controller parameters and to provide a method by means of which such automatic tracking can be effected.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens und einer Regeleinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die Regeleinrichtung bewirkt einen Abgleich für zumindest zwei von der Regeleinrichtung umfasste Funktionseinheiten, welche mittels parametrierbarer Eigenwerte konfigurierbar sind, wobei ein Berechnungsmittel von der Regeleinrichtung umfasst ist, welches eine Kennzahl ermittelt, welche die relative Abweichung der Reaktionen yMod und ysys beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung bei Anregung beider Funktionseinheiten mit derselben Führungsgrößenänderung quantifiziert und aus der Kennzahl einen Korrekturfaktor ermittelt, welcher zur Parametrierung der Funktionseinheiten dient, wobei einThe object is achieved by means of a method and a control device according to the independent claims. The control device causes a balance for at least two of the control device comprised functional units which are configurable by means of parameterizable eigenvalues, wherein a calculation means is comprised by the control device which determines a measure, which od the relative deviation of the reactions yM and ys ys both functional units to a Command variable change in excitation of both functional units with the same command variable change quantified and determined from the code a correction factor, which is used to parameterize the functional units, where a
Korrekturmittel umfasst ist, dem der Korrekturfaktor zugeführt ist und welches eine Parametrierung der Funktionseinheiten derart vornimmt, dass dies eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt.
Das Verfahren, nach dem die Regeleinrichtung arbeitet, ist dabei so strukturiert, dass die Kennzahl in einem ersten Schritt ermittelt wird. Die Kennzahl wird aus den beiden unterschiedlichen Antworten beider Funktionseinheiten auf eine Führungsgrößenänderung ermittelt und quantifiziert eine mögliche Parameterabweichung zwischen beiden Funktionseinheiten. Aus dieser Kennzahl wird in einem zweiten Schritt der Korrekturfaktor ermittelt, wobei der Korrekturfaktor zur Parametrierung zumindest einer der beiden Funktionseinheiten dient und eine Reduzierung der relativen Abweichung bewirkt. Der Korrekturfaktor könnte sich auf die Filterzeit und/oder Reglerverstärkung KP beziehen. Er bewirkt einer Konvergenz von Wunschmodellverhalten und Systemverhalten. Bei einer geeigneten Parametrierung der Funktionseinheiten der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung können somit die Überschwinger reduziert und das Störungsverhalten des Systems vom Führungsverhalten teilweise entkoppelt werden.Correction means is included, to which the correction factor is supplied and which performs a parameterization of the functional units such that this causes a reduction of the relative deviation. The method by which the control device operates is structured in such a way that the characteristic number is determined in a first step. The key figure is determined from the two different responses of both functional units to a reference variable change and quantifies a possible parameter deviation between the two functional units. From this index, the correction factor is determined in a second step, wherein the correction factor is used for parameterization of at least one of the two functional units and causes a reduction of the relative deviation. The correction factor could relate to the filter time and / or controller gain K P. It causes a convergence of desire model behavior and system behavior. With a suitable parameterization of the functional units of the control device according to the invention, the overshoots can thus be reduced and the disturbance behavior of the system can be partially decoupled from the guiding behavior.
Das Berechnungsmittel der Regeleinrichtung ist derart ausgebildet, dass ein dimensionsloser Korrekturfaktor ermittelbar und mittels des Korrekturmittels eine iterative Änderung eines Eigenwertes zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors durchführbar ist, wobei das Korrekturmittel solange Korrekturwerte vom Berechnungsmittel verarbeitet, bis die Abweichung im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem im wesentlichen entspricht.The calculation means of the control device is designed such that a dimensionless correction factor can be determined and by means of the correction means an iterative change of an eigenvalue of at least one functional unit by means of the correction factor is carried out, the correction means as long as correction values processed by the calculation means until the deviation tends to substantially zero or after The specification of a setpoint substantially corresponds to this.
Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die Regeleinrichtung einen selbstregelnden Mechanismus enthält, welcher eine Optimierung dynamisch und adaptiv vornehmen kann, indem mittels der oben erwähnten Parametrierung der Funktionseinheiten der Regelkreis jederzeit automatisch an neue Gegebenheiten anpassbar ist. Dieser Mechanismus könnte auch nichtautomatisch, d.h. händisch gestartet werden, beispielsweise in der Mobilhydraulik bei geschwindigkeitsgeregelten Achsen in Baumaschinen, wo eine automatisierte Steuerungsebene entweder nicht vorhanden ist oder automatisierte Achsbewegungen zu Abgleichszwecken nicht akzeptabel sind.The advantage of this solution is that the control device contains a self-regulating mechanism, which can make an optimization dynamic and adaptive, by means of the above-mentioned parameterization of the functional units of the control loop is automatically adaptable to new conditions at any time. This mechanism could also be non-automatic, i. For example, in mobile hydraulics in speed-controlled axles in construction machines, where an automated control level is either absent or automated axis movements are not acceptable for balancing purposes.
Vorzugsweise startet man im Rahmen eines dritten Verfahrensschrittes mittels eines aus der Führungsgrößenänderung abgeleiteten Signals den Abgleich, so dass der Abgleich leicht automatisierbar ist. Dies könnte so realisiert werden, dass die der Erfindung zugrundeliegende Regeleinrichtung ein Triggermittel umfasst ist, welches aus einer Führungsgrößenänderung ein Signal ableitet, welches der Regeleinrichtung zugeführt ist und den Start des Abgleichs bewirkt.
Konkret kann es sich bei der ersten Funktionseinheit um einen als Tiefpass realisierten Sollwertfilter im Integralzweig der Regeleinrichtung handeln und bei der zweiten Funktionseinheit um das zu regelnde System selbst, bestehend aus zumindest einem Regler, einer Regelstrecke und üblichen Störgrößen.Preferably, in the context of a third method step, the adjustment is started by means of a signal derived from the reference variable change, so that the adjustment can easily be automated. This could be realized in such a way that the control device on which the invention is based comprises a triggering means which derives a signal from a command variable change, which signal is fed to the control device and effects the start of the adjustment. Concretely, the first functional unit may be a setpoint filter implemented as a low-pass filter in the integral branch of the control device and the second functional unit may be the system itself to be controlled, consisting of at least one controller, one controlled system and conventional interference variables.
Dadurch bedingt, dass das Signal am Filterausgang und die Regelgröße des realen Systems identisch sind, wenn die Störungen am realen System verschwindend sind, stellt das Filter quasi ein abgleichbares Modell des Systems dar, wobei der Abgleich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt. Es können somit Streckenkenngrößen wie Trägheiten oder hydraulische Kapazitäten unter gewissen Randbedingungen automatisiert oder teilautomatisiert aus dem Verhalten des geregelten Systems abgeleitet werden.As a result of this, the fact that the signal at the filter output and the controlled variable of the real system are identical, when the disturbances on the real system are disappearing, makes the filter virtually an adjustable model of the system, the adjustment taking place by means of the method according to the invention. It can thus track characteristics such as inertia or hydraulic capacity under certain conditions automatically or semi-automatically derived from the behavior of the controlled system.
Vorzugsweise ist jeder Funktionseinheit ein weiteres Filter vorgeschaltet, wobei die Filter eine identische Filtercharakteristik aufweisen und somit die gezielte Reduzierung von Störeinflüssen erlaubt. yMod und ysys können somit vor derPreferably, each functional unit is preceded by a further filter, wherein the filters have an identical filter characteristic and thus allows the targeted reduction of interference. y Mod and ys ys can thus before the
Kennzahlermittlung mittels einer Filtervorrichtung gefiltert werden, was Störungen reduziert.Kennzahlermittlung be filtered by means of a filter device, which reduces interference.
Die Fehlerermittlung basiert auf den Vergleichsgrößen yMθd und ySys , wobei yMod und ysys das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten (hier Filter/System) beiThe error determination is based on the comparison variables y Mθd and y Sys , where yMo d and ysy s the transient response of both functional units (here filter / system) at
Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet darstellt. Mittels der Integration wird ein Fehlersignal E = yMod-ysys über einen Referenzzeitraum Tf summiert. Tf entspricht einem Eigenwert (z.T. Zeitkonstante bei PT1 -Glied), mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist.Represents change in leadership over time. By means of the integration, an error signal E = y Mod -ysy s over a reference period Tf is summed. Tf corresponds to an eigenvalue (in some cases the time constant for the PT1 component), by means of which the transient response of at least one of the two functional units can be influenced.
Für das vorliegende Problem wurde ein Ansatz der Gewichtung gewählt, der vornehmlich auf die Robustheit des Algorithmus gegen Störeinflüsse abzielt. Dabei liegen folgende Überlegungen zu Grunde: Störungen wirken nur auf das reale System und beeinflussen somit ysys- Auf das Modell und damit yMόd hingegen wirken Störgrößen nicht ein. Ein Fehlersignal E ist um so sicherer eine Folge des Führungssignals, je höher die Anregung des Systems durch das Führungssignal ist, weil dann die Amplitude der Störgrößen vernachlässigbar wird.For the present problem, a weighting approach was chosen, which primarily aims at the robustness of the algorithm against disturbing influences. The following considerations are based on this: Disturbances have an effect only on the real system and thus influence ys ys - on the model and thus y M όd on the other hand disturbances do not work. An error signal E is the more certain a consequence of the guide signal, the higher the excitation of the system by the guide signal, because then the amplitude of the disturbances is negligible.
In einem System erster Ordnung (PT1 ) ist die Änderung des Ausgangssignals ein Maß für die Anregung, da sie die Abweichung zwischen Eingang- undIn a first order (PT1) system, the change in the output signal is a measure of the excitation since it measures the deviation between input and output
Ausgangssignal wiedergibt gemäß: yMod = (x - yMoά ) . Das Fehlersignal E wird
dementsprechend mit der Größe y Moύ gewichtet, denn y Mod ändert sich proportional zur Intensität der Führungsgröße. Die Wichtung des Fehlersignals E durch Multiplikation mit dem Betrag von y Mod stellt sicher, dass Fehler nicht bewertet werden, solange keine Führungsgrößenänderung vorliegt.Output signal according to: y Mod = (x - y Moά ). The error signal E becomes weighted accordingly with the size y Moύ , because y mod changes in proportion to the intensity of the reference variable. The weighting of the error signal E by multiplication by the amount of y Mod ensures that errors are not evaluated unless there is a command variable change.
Zur Fehlerauswertung liegt damit zunächst ein integrierter gewichteter Fehler IWE (Integrated Weighted Error) vor gemäß:For error evaluation, an integrated weighted error IWE (Integrated Weighted Error) is thus initially available according to:
(I) IWE {yMod - ySys)- dt oder(I) IWE {y Mod - y Sys ) - dt or
(2) IWE
yMod - ySys )- dt(2) IWE y Mod - y Sys ) - dt
Es handelt sich um ein spezielles Fehlerfunktional zur Ermittlung dynamischer Kennwerte eines regelungstechnischen Systems auf Basis von Zeitreihen nach Anregung des Systems. Der Unterschied beider Funktionale liegt darin, dass bei Funktional (1 ) IWE unter Berücksichtigung eines frei wählbaren Anfangszeitpunktes TO ermittelt wird, wobei bei Funktional (2) IWE unter Berücksichtigung des Startzeitpunktes TO = 0 erfolgt. Funktional (2) stellt damit einen Sonderfall des Funktionais (1 ) dar.It is a special error functional for the determination of dynamic characteristics of a control system based on time series after excitation of the system. The difference between the two functionalities lies in the fact that in functional (1) IWE is determined taking into account a freely selectable starting time TO, whereby in functional (2) IWE taking into account the start time TO = 0. Functional (2) thus represents a special case of the function (1).
Der Nachteil der Funktionale (1 ) oder (2) in Hinblick auf die Ermittlung vonThe disadvantage of the functional (1) or (2) with regard to the determination of
Kenngrößenverhältnissen ist, dass sie eine Dimension y2 aufweisen und damit überproportional abhängig von der Höhe der Anregung sind. Ein dimensionsloser, anregungsunabhängiger Kennwert kann erzielt werden, wenn die IWE - Funktionale auf ein Funktional bezogen werden, das ganz ähnlich, jedoch unter Verwendung der Systemausgangsgröße anstatt des Fehlers E und unter Verwendung derCharacteristic ratios is that they have a dimension y 2 and are disproportionately dependent on the magnitude of the excitation. A dimensionless, excitation - independent characteristic can be obtained when the IWE functionals are referenced to a functionally similar, but using the system output rather than the error E and using the
Änderungsgeschwindigkeit des Systemausgangs anstatt des Modellausgangs gemäßRate of change of the system output instead of the model output according to
oder
)• dt oderor ) • dt or
T0 +JtT7 T 0 + JtT 7
(5) J>V -4>V dt
ermittelt wird. Die Signumfunktion im Falle (3) und (4) stellt sicher, dass die Richtung des Fehlers unabhängig von der Richtung der Anregung ist. Durch Verwendung der Systemantwort ysys zur Normierung des Fehlerfunktionais wird außerdem eine weitere Stabilisierung gegenüber Störungen erreicht. Mittels der Verwendung von AySvs = ySys - ySys(t = T0) im Falle (5) erreicht man die Berücksichtigung der(5 ) J> V -4> V dt is determined. The signum function in cases (3) and (4) ensures that the direction of the error is independent of the direction of the excitation. By using the system response ys ys to standardize the Fehlerfunktionais also a further stabilization against interference is achieved. By using Ay Svs = y Sys - y Sys (t = T 0 ) in case (5) one obtains the consideration of
Gesamtzustandsänderung des Systems oder im Falle (4) die totale Zustandsänderung des Systems. Mittels der Normierung erreicht man die Entkopplung des Ergebnisses von der Anregungsform und Anregungshöhe. Die Normierung bezüglich der totalen Zustandsänderung bewertet bei verrauschten Signalen den Fehler geringer, d.h. es resultiert eine gute Störstabilität. DieOverall state change of the system or in case (4) the total state change of the system. By means of normalization one achieves the decoupling of the result from the excitation form and excitation level. Normalization with respect to the total change of state evaluates the error less with noise signals, i. it results in a good interference stability. The
Normierung auf die Gesamtzustandsänderung konvergiert schneller (siehe später).Normalization to the overall state change converges faster (see later).
Insgesamt ergeben sich folgende alternative Funktionale zur Ermittlung der Kennzahl, mittels derer eine Kennzahl für Korrekturen ableitbar ist:Overall, the following alternative functionalities result for the determination of the key figure, by means of which a key figure for corrections can be derived:
iß) Kennzahl oder
i) code or
Ta+x T,T a + x T,
J yMod ■ (y Mod - y vJ- dt J y Mod ■ (y Mod - y vJ- dt
(7) Kennzahl = r° . oder(7) Code = r °. or
\ ySys - ΔySys - dt \ y S ys - Δy S ys - dt
(8)Kennzahl =
(8) Code =
yMod und ysys stellt das Einschwingverhalten beider Funktionseinheiten bei Änderung der Führungsgröße über die Zeit betrachtet dar. Das Symbol y kennzeichnet jeweils die zeitliche Ableitung von y und Tf kennzeichnet einen Eigenwert, insbesondere die Filterzeitkonstante eines Tiefpasses, mittels dessen das Einschwingverhalten zumindest einer der beiden Funktionseinheiten beeinflussbar ist. x steht für ein Vielfaches des Eigenwertes, vorzugsweise für einem Wert um 2*Pi, und es gilt
ΔySvs = ySvs - ySvs(t = T0) , d.h. es wird nun die Systemänderung zwischen zweiyM od and ysy s represents the transient response of both functional units when changing the reference variable over time. The symbol y denotes the time derivative of y and T f denotes an eigenvalue, in particular the filter time constant of a low-pass filter, by means of which the transient response of at least one of the Both functional units can be influenced. x stands for a multiple of the eigenvalue, preferably for a value around 2 * Pi, and it holds Δy Svs = y Svs -y Svs (t = T 0 ), ie the system change between two
Zeitpunkten betrachtet, wobei TO einem frei wählbaren Startzeitpunkt entspricht, zu dem der aktuelle Zeitpunkt relativ betrachtet wird.Considered time points, where TO corresponds to an arbitrary start time at which the current time is considered relative.
Diese Kennzahl wird als relativer integrierter gewichteter Fehler (RIWE = Relative Integrated Weighted Error = Korrekturfaktor) bezeichnet.This measure is called Relative Integrated Weighted Error (RIWE).
Zur Vereinfachung des Abgleichs wird eine Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit vom Verhältnis der Eigenwerte der ersten und der zweiten Funktionseinheit ermittelt, welche Kennlinie insbesondere zumindest teilweise in dem Bereich linearisiert wird, in dem die Kennzahl gegen Null tendiert. Die Regeleinrichtung beinhaltet daher ein Mittel zur Ableitung einer Kennlinie für die Kennzahl in Abhängigkeit der Eigenwerte der Funktionseinheiten und umfasst vorzugsweise ein Speichermittel in dem diese Kennlinie abgelegt ist und auf das die Regeleinrichtung Zugriff hat.To simplify the comparison, a characteristic curve for the characteristic number is determined as a function of the ratio of the eigenvalues of the first and the second functional unit, which characteristic is in particular at least partially linearized in the region in which the index tends to zero. The control device therefore includes a means for deriving a characteristic curve for the characteristic number as a function of the eigenvalues of the functional units and preferably comprises a memory means in which this characteristic is stored and to which the control device has access.
Figur 2 zeigt eine solche Kennlinie beispielhaft.FIG. 2 shows such a characteristic by way of example.
Die Anwendung des RIWE-Funktionals wurde hier auf zwei ideale Systeme erster Ordnung angewendet. Es ergibt sich eine Kennlinie des Fehlerfunktionais in Abhängigkeit vom Verhältnis der Zeitparameter Tsys/TMod der verglichenen Systeme.The application of the RIWE function has been applied to two ideal first-order systems. The result is a characteristic curve of the error function as a function of the ratio of the time parameters Ts ys / T mod of the systems compared.
Die Ermittlung des Korrekturfaktors mittels der Kennlinie erfolgt nun vorzugsweise durch sukzessive Approximation innerhalb eines definierten Wertebereiches der Kennzahl und Begrenzung der Kennzahl außerhalb dieses Wertebereiches.The determination of the correction factor by means of the characteristic now preferably takes place by successive approximation within a defined value range of the characteristic and limiting the characteristic outside this value range.
Eine Vorschrift für die Korrekturschätzung kann beispielsweise lauten:A rule for the correction estimate may be, for example:
UntererWert RJWE < untererRWIEGrenzwertLower RJWE value <lower ROW limit
1 Mod 1 + Steigung RIWE fiir untererRIWEGrenzwert ≤ RIWE < obererRIWEGrenzwer 1 Mod 1 + slope RIWE for lower RI limit ≤ RIWE <upper RI limit
' Sys 'Schatz Oberer Wert RIWE > obererRIWE Grenzwert'Sys' treasure upper value RIWE> upper limit value
Unterschreitet RIWE den unteren RIWE Grenzwert, so wird TMoCι/Tsys auf einen unteren Wert fixiert. Überschreitet RIWE den oberen RIWE Grenzwert, so wird Twiod/Tsys auf einen oberen Wert fixiert. Innerhalb der RIWE Grenzwerte wird eine
Gerade mit einer definierten Steigung an den optimalen Wert ΪMod/Tsys = 1 , wo auch RIWE = 0 ist, gelegt. Hier stellt sich ein Fehler von Null ein, d.h. das System und das Modell sind abgeglichen.If RIWE falls below the lower RIWE limit, T MoC ι / Tsys is fixed to a lower value. If RIWE exceeds the upper RIWE limit, Twio d / Tsys is fixed to an upper value. Within the RIWE limits will be a Just with a defined slope to the optimum value Ϊ Mod / Tsys = 1, where also RIWE = 0 is placed. This sets a zero error, ie the system and the model are balanced.
Mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise können bei Abweichungen die Modell- und Systemparameter leicht iterativ geändert werden, solange bis Modell und Systemverhalten schließlich im wesentlichen identisch sind. Daher umfasst das Verfahren vorzugsweise folgende Schritte:With the procedure described below, the model and system parameters can easily be changed iteratively in the event of deviations, as long as the model and system behavior are essentially identical. Therefore, the method preferably comprises the following steps:
Zuordnung der aktuellen Kennzahl zu relativ zueinander bezogenen Eigenwerten von Funktionseinheiten, mittels derer die Kennzahl ermittelt wurde. Im obigen Beispiel
Assignment of the current key figure to relative eigenvalues of functional units by means of which the key figure was determined. In the example above
Ermittlung eines Korrekturfaktors durch Auswertung oder Ablesen aus der Kennlinie. Es wird hierbei ermittelt welche Änderung TMod/Tsys erfahren muss, um RIWE zu reduzieren.Determination of a correction factor by evaluation or reading from the characteristic curve. In this case, it is determined which change T Mod / Ts ys must experience in order to reduce RIWE.
Änderung eines Eigenwertes (hier TMθd oder Tsys) zumindest einer Funktionseinheit mittels des Korrekturfaktors.Change of an eigenvalue (here T Mθd or Tsy s ) of at least one functional unit by means of the correction factor.
Aus der hieraus resultierenden Änderung von RIWE ergibt sich konsequenterweise eine erneute Änderung des Faktors TMod/Tsys. In einem weiteren Schritt wird diese Neuermittlung der Kennzahl RIWE durch Auswertung der Kennlinie mit dem neuen Verhältnis von TMod/TSys durchgeführt.From the resulting change of RIWE a renewed change of the factor TMod / Ts ys obtained consequently. In a further step, this new determination of the characteristic RIWE is performed by evaluating the characteristic with the new ratio of T Mod / T S ys.
Die Wiederholung der vorherigen Schritte erfolgt solange, bis die Kennzahl im wesentlichen gegen Null tendiert oder nach Maßgabe eines Sollwertes diesem Sollwert im wesentlichen entspricht. Der Sollwert wird so gewählt sein, dass sich ein vernachlässigbarer Fehler einstellt.The repetition of the previous steps is carried out until the index tends to substantially zero or according to a setpoint substantially corresponds to this setpoint. The setpoint will be chosen so that a negligible error occurs.
Der Ablauf einer solchen Iteration ist beispielhaft in Figur 3 gezeigt. Das Bild zeigt die inverse Kennlinie von RIWE dargestellt über den Quotienten TMθd/Tsys:The course of such an iteration is shown by way of example in FIG. The picture shows the inverse characteristic of RIWE represented by the quotient T Mθd / Tsys:
Die Kurve wurde um RIWE = 0 linearisiert und wie folgt begrenzt:
The curve was linearized by RIWE = 0 and limited as follows:
Das Verfahren konvergiert innerhalb von wenigen Schritten. Je weniger Anforderungen an die Höhe der Abweichung gestellt werden, desto weniger Iterationsschritte sind erforderlich.The process converges within a few steps. The fewer requirements for the amount of deviation, the fewer iterations are required.
Die Auswertung erfolgt wie nachfolgend beschrieben (alle Zahlenwerte sind ca. - Angaben):The evaluation is carried out as described below (all numerical values are approximate - data):
RIWE liegt anfänglich bei - 0,33 und ΪMod/Tsys liegt anfänglich bei 0,5. Da ΪMod/Tsys außerhalb des linearisierten Bereiches liegt, wird von der unteren Begrenzungslinie (0,6) aus betrachtet eine Änderung von TMθd/Tsys vorgenommen durch Modifikation einer oder beider Parameter innerhalb einer Funktionseinheit. Der Quotient ändert sich somit auf TM0Cj/Tsys = 0,8. Hierbei stellt sich anhand der RIWE-Kennlinie ein RWIE = - 0,1 ein, was gegenüber RIWE = - 0,33 bereits einer massiveRIWE is initially at -0.33 and ΪMod / Tsys is initially at 0.5. Since ΪMod / Tsys is outside the linearized range, a change in T Mθd / Tsy s from the lower boundary line (0.6) is made by modifying one or both parameters within a functional unit. The quotient thus changes to TM 0C j / Tsy s = 0.8. In this case, the RWI = - 0.1 is established on the basis of the RIWE characteristic, which is already a massive one compared to RIWE = - 0.33
Fehlerreduzierung bewirkt. Da für den Quotienten TMod/TSys = 0,8 bereits der linearisierte Bereich der Kennlinie relevant ist, wird ausgehend von dieser Kennline TMod/Tsys weiter modifiziert, d.h. die RIWE-Kennlinie wird von nun an nicht mehr betrachtet. An den Kennlinien kann man nun ablesen, dass sich für ΪMod/Tsys annähernd der Faktor 1 einstellt, wobei RWIE hier im wesentlichen gegen Null tendiert. Mittels weniger Iterationsschritte wäre hierbei also der Fehler weitestgehend eliminiert worden. Sofern es erforderlich ist können weitere Iterationsschritte die Annäherung an RIWE = 0 bewirken, je nachdem welche Genauigkeit gewünscht ist. Je nach Wahl eines der Zählerfunktionale (3) bis (5) erreicht man schnellere oder störstabilere Ergebnisse. Mit zunehmender Erwartungshaltung bezüglich derError reduction causes. Since the linearized region of the characteristic line is already relevant for the quotient TM od / T Sys = 0.8, starting from this characteristic curve, TM od / Tsy s is further modified, ie the RIWE characteristic curve is no longer considered from now on. It can now be read on the characteristic curves that for ΪMo d / Tsy s approximately the factor 1 is established, where RWIE tends to approach zero substantially. By means of fewer iterations, the error would have been eliminated as far as possible. If necessary, further iteration steps can bring the approximation to RIWE = 0, depending on the accuracy desired. Depending on the choice of one of the counter functions (3) to (5) to achieve faster or more stable results. With increasing expectations regarding the
Reduzierung von RIWE steigt jedoch die Anzahl der Iterationsschritte und damit auch der Rechenaufwand und der Zeitaufwand.However, reducing RIWE increases the number of iteration steps and thus the computational effort and time required.
Vorzugsweise umfass der weiter oben beschriebene dritte Schritt folgende TeilschrittePreferably, the third step described above comprises the following substeps
a) Ermittlung des Systemrauschpegels während des Abgleichs, b) Festlegung eines Schwellwertes, welcher über dem Systemrauschpegel liegt,
c rm tt ung es o a en ax mums es igna s er em c we wer , d) Neustart des Abgleichsa) determination of the system noise level during the adjustment, b) determination of a threshold value which is above the system noise level, c rm tt ung it oa en ax mums it igna s he em c we who d) Restart the reconciliation
Dies ermöglicht es ein Triggersignal aus einer Führungsgrößenänderung nur dann abzuleiten, wenn dieses Triggersignal über dem Systemrauschpegel liegt.This allows a trigger signal to be derived from a command variable change only if that trigger signal is above the system noise level.
Der Beginn des Abgleichs kann somit gestartet werden, ohne dass ein gesondertes Startsignal auf Steuerungsebene generiert werden muss. So ist eine Parameteradaption z.B. auch in Systemen möglich, in denen das Führungssignal händisch erzeugt wird. Als Beispiel seien Geschwindigkeitssollwerte in mobilen Arbeitsmaschinen genannt. Hier müssen beliebige Sollwertverläufe berücksichtigt werden. Als auszuwertendes Triggersignal könnte die zweite Ableitung x der Führungsgröße x gewählt werden. Dies ist im Geschwindigkeitsregler der Ruck. Damit kann auch im Satzbetrieb Positionsgeregelter Antriebe (mit Ruck- oder Beschleunigungsbegrenzung) ein Triggersignal unmittelbar nach Start eines Satzes generiert werden.The start of the adjustment can thus be started without a separate start signal having to be generated at the control level. Thus, a parameter adaptation is e.g. also possible in systems in which the guidance signal is generated manually. As an example speed setpoints are mentioned in mobile machines. Any desired value curves must be taken into account here. As a trigger signal to be evaluated, the second derivative x of the reference variable x could be selected. This is in the speed control of the jerk. This means that a trigger signal can also be generated directly after the start of a block in block mode position-controlled drives (with jerk or acceleration limitation).
Der Triggeralgorithmus kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:The trigger algorithm may include, for example, the following steps:
- Erkennung eines lokalen Maximums von x (zweite Ableitung der Führungsgröße) gemäß der Vorschrift xk < Jc4., Λ Jct_, > xt_2 und Merken desRecognition of a local maximum of x (second derivative of the reference variable) according to the instructions x k <J c 4 , Λ J c t _,> x t _ 2 and memorization of the
Triggerwertes, wobei k-1 jeweils den vorhergehenden Wert darstellen soll.Trigger value, where k-1 should represent the previous value.
- Rücksetzen des Abgleiche, wenn während der Laufzeit ein höherer Triggerwert erkannt wird.- Resetting the adjustment if a higher trigger value is detected during runtime.
- Bildung eines durchschnittlichen Niveaus des Triggersignals als arithmetisches Mittel des Betrags aller Einzelwerte über den Abgleichzeitraum als Basis für eine Rauschunterdrückung.- Forming an average level of the trigger signal as an arithmetic mean of the amount of all individual values over the adjustment period as a basis for noise suppression.
- Start der Auswertung, wenn der Triggerwert das X-fache des Rauschpegels der vorherigen Auswertung überschreitet.- Start the evaluation if the trigger value exceeds X times the noise level of the previous evaluation.
Als zusätzliche Stabilisierungsmaßnahme wird das Ergebnis der Auswertung verworfen, wenn die Änderung der Systemausgangsgröße über den gesamten Auswertezeitraum ein anderes Vorzeichen aufweist als die Änderung der Eingangsgröße. Dies deutet nämlich eindeutig auf eine Anregung des Systems durchAs an additional stabilization measure, the result of the evaluation is rejected if the change in the system output variable over the entire evaluation period has a different sign than the change in the input variable. This clearly indicates that the system is being stimulated
Störgrößen hin.Disturbances out.
Das Triggermittel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist zu diesen Zwecken derart ausgebildet, dass es den Systemrauschpegel während eines Abgleichs ermittelt, automatisch einen Schwellwert abhängig vom ermittelten
Systemrauschpegel festlegt, das lokale Maximums eines von einerThe trigger means of the control device according to the invention is designed for these purposes such that it determines the system noise level during a comparison, automatically a threshold value depending on the determined System noise level sets the local maximum of one of
Führungsgrößenänderυng abgeleiteten Signals feststellt und den Start des Abgleichs abhängig vom ermittelten Maximum realisiert.Derives Führungsgrößenänderυng derived signal and realizes the start of the adjustment depending on the determined maximum.
Vorzugsweise arbeitet die Regeleinrichtung einer elektrisch betriebenen Maschine, insbesondere ein geschwindigkeitsgeregelter Antrieb, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. In einem geschwindigkeitsgeregelten Antrieb verhält sich das Nennerfunktional proportional zur Summe des Betrags der kinetischen Leistung des Antriebs.
An diesem Zusammenhang kann physikalisch verdeutlicht werden, wie das Nennerfunktional die Robustheit des Gesamt-Fehlerfunktionals erhöht: Die summierte gewichtete Abweichung der Geschwindigkeiten von Modell yMod und realem Antrieb ysys wird bezogen auf die gesamte für die Geschwindigkeitsänderung des Antriebs aufgebrachte Energie. In diesen Wert gehen auch Leistungswerte ein, die durch Störkräfte entstehen. Treten also während eines AnalysezeitraumsPreferably, the control device of an electrically operated machine, in particular a speed-controlled drive, operates with the method according to the invention. In a speed-controlled drive, the denominator functional is proportional to the sum of the amount of kinetic power of the drive. In this connection, it can be physically demonstrated how the denominator functionally increases the robustness of the overall error function: The summed weighted deviation of the velocities of model y Mod and real drive ys ys is related to the total energy applied to the speed change of the drive. This value also includes power values that arise due to disturbing forces. So join during an analysis period
Störungen auf, so wird das Gesamtfunktional RIWE entsprechend kleiner; der Fehler damit geringer bewertet. Es ist somit die Identifikation der effektiven Antriebsträgheit möglich. Der Parameter „a" steht dabei für die Beschleunigung, „F" für die Kraft, „m" für die Masse und „P" für die Leistung, „v" für die Geschwindigkeit.Disturbances, the overall functional RIWE becomes correspondingly smaller; the error thus rated lower. It is thus possible to identify the effective drive inertia. The parameter "a" stands for the acceleration, "F" for the force, "m" for the mass and "P" for the power, "v" for the speed.
Sinngemäß gilt dies auch für hydraulisch betriebene Maschinen, insbesondere für druckgeregelte und ventilgesteuerte Zylinder oder geschwindigkeitsgeregelte und ventilgesteuerte Zylinderantriebe. Es ist zum Beispiel außerdem die Identifikation der hydraulischen Kapazität basierend auf der Messung von Druckänderungen beziehungsweise Volumenänderungen möglichAnalogously, this also applies to hydraulically operated machines, especially for pressure-controlled and valve-controlled cylinders or speed-controlled and valve-controlled cylinder drives. For example, it is also possible to identify the hydraulic capacity based on the measurement of pressure changes or volume changes
Auch für die Verwendung von pneumatisch betriebene Maschinen oder Hybridmaschine, welche sich mehrerer zuvor genannter Prinzipien bedienen, ist die Erfindung vorteilhaft.Also for the use of pneumatically operated machines or hybrid machine, which make use of several previously mentioned principles, the invention is advantageous.
Vorzugsweise bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Systeme erster Ordnung, wobei eine voll- oder halbautomatische Realisierung denkbar ist.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus nachfolgenderThe method according to the invention and the device according to the invention preferably relate to systems of the first order, whereby a fully or semi-automatic realization is conceivable. Further aspects of the invention will become apparent from the following
Figurenbeschreibung. Diese zeigt ein PI - geregeltes System, welches prinzipbedingt überschwingendes Führungsverhalten aufweist. Dies wurde durch Einführung eines Sollwertfilters in den Integral-Zweig des Reglers verhindert. Der eingesetzte Filter kann unter Berücksichtigung der Erläuterungen weiter oben, als Modell des Systems mit Proportionalregler angesehen werden.Figures. This shows a PI-controlled system, which inherently exhibits overshooting leadership behavior. This was prevented by introducing a setpoint filter into the integral branch of the controller. The filter used, taking into account the explanations above, can be considered as a model of the proportional controller system.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt einen auf der Basis von Zeitverläufen des Filterausgangs und der Regelgröße in einem bestimmten Zeitraum nach Anregung durch Sollwertänderung einen Korrekturwert, der zur Parameterkorrektur so eingesetzt werden kann, dass sich Modell- und Systemverhalten angleichen. Mit diesem Verfahren sind Regleradaption und Parameteridentifikation möglich.The method according to the invention determines a correction value on the basis of time profiles of the filter output and the controlled variable in a specific time period after excitation by setpoint change, which can be used for parameter correction in such a way that the model and system behavior are equalized. Controller adaptation and parameter identification are possible with this method.
Im Detail zeigt die Figur 1 ausschnittsweise den Signalflussplan eines Pl-Reglers, welcher einen Proportionalzweig 1 , einen Filter 2 und einen Integralzweig 3 umfasst. Zusätzlich angedeutet ist die Regelstrecke 4 und Störgrößen 6. Im Integral-Zweig des Reglers ist hier ein Tiefpassfilter erster Ordnung für den Sollwert 5 eingeführt, der bei geeigneter Parametrierung der Verzögerungszeit 7> die Nullstelle der Übertragungsfunktion der Komplettanordnung kompensiert. Diese Maßnahme hat sowohl positive Auswirkungen auf die Reaktionsgeschwindigkeit bzgl. des Führungsverhaltens als auch bezüglich der Reduzierung des Störverhaltens. Dem Pl-Regelkreis könnte außerdem ein weiterer Regelkreis aufkaskadiert werden, z.B. ein Positionsregler für elektrische Servoachsen.In detail, Figure 1 shows a detail of the signal flow plan of a PI controller, which comprises a proportional branch 1, a filter 2 and an integral branch 3. Additionally indicated is the controlled system 4 and disturbance variables 6. In the integral branch of the controller, a low-pass filter of the first order 5 is introduced here for the desired value 5, which compensates the zero position of the transfer function of the complete arrangement with suitable parameterization of the delay time 7. This measure has both positive effects on the reaction rate with respect to the leadership behavior as well as with respect to the reduction of the disturbance behavior. The PI control loop could also be cascaded with another control loop, e.g. a position controller for electric servo axes.
Die geeignete Filterparametrierung für das hier verwendete Beispiel ergibt sich zu:The appropriate filter parameterization for the example used here results in:
T - T - 1 m mT - T - 1 mm
~ ι M -~ ι M -
2 D ωn d K1 2 D ω n d K 1
Für den vorteilhaften Fall einer Parametrierung des Filters entsprechend dieser Gleichung sind Führungsverhalten von Filter (Modell) und System (Regelkreis ohne Filter) identisch. Da Filter- und Streckenverhalten nicht voneinander abweichen, ergibt sich kein Stellwert im I-Zweig. Mittels der Filterparametrierung wird somit eine Minimierung der Abweichung zwischen einem Modell (Filter) und dem realen System realisiert. Ob dabei die Minimierung der Abweichung durch Anpassung des Modells (Filterparametrierung) oder des Systems (Reglerparametrierung) erfolgt, ist in diesem Zusammenhang sekundär. Das heißt: Zum Abgleich von System- undFor the advantageous case of a parameterization of the filter according to this equation, the guiding behavior of filter (model) and system (control loop without filter) are identical. Since filter and path behavior do not deviate from each other, there is no control value in the I branch. Filter parameterization thus minimizes the deviation between a model (filter) and the real system. Whether the minimization of the deviation takes place by adapting the model (filter parameterization) or the system (controller parameterization) is secondary in this context. That is: To balance system and
Modellverhalten kann neben der Anpassung der Zeitkonstanten Tf des Filters auch auf die reale Antwortzeit TM des drehzahlgeregelten Antriebs oder die Änderung der
Reglerverstärkung KP zurückgegriffen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Parametrierung auf numerischem Weg. Das Verfahren könnte beispielsweise mittels einer antriebsintegrierten Steuerung realisiert werden oder mittels antriebsintegrierter oder externer Regelung. Der Abgleich könnte beispielsweise auf die Drehzahlregelung oder Positionsregelung eines Antriebs angewendet werden. Als Anregungsformen zur Simulation einer Fϋhrungsgrößenänderung stehen Sprünge sowie für den Positionierbetrieb Rampen mit Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbegrenzung sowie beliebige Sollwertsignale aus einer übergeordneten Reglerkaskade zur Verfügung. Weiterhin könnte ein Abschaltfenster realisiert werden, das die Übernahme eines neu identifizierten Parameters verhindert, wenn er weniger als ein festzulegender Prozentsatz, beispielsweise 0,5 %, vom aktuellen Parameterwert abweicht.
In addition to the adaptation of the time constant T f of the filter, model behavior can also be applied to the real response time T M of the speed-regulated drive or the change of the Regulator gain K P be resorted to. The inventive method solves the parameterization on a numerical way. The method could, for example, be realized by means of a drive-integrated control or by means of drive-integrated or external control. The adjustment could for example be applied to the speed control or position control of a drive. Jumps as well as ramps with velocity and acceleration limitation as well as arbitrary setpoint signals from a higher-level controller cascade are available as excitation modes for simulating a change in the position of the drive. Furthermore, a shutdown window could be implemented which prevents the adoption of a newly identified parameter if it deviates less than a certain percentage, for example 0.5%, from the current parameter value.
Zusammenfassung der verwendeten Symbolik:Summary of the used symbols:
x - Drehzahlsollwert (Führungsgröße) xo - Drehzahlistwertx - Speed setpoint (reference variable) xo - Actual speed value
F0 - StellgrößeF 0 - manipulated variable
FL - StörgrößeF L - disturbance variable
Kp- Verstärkungsfaktor (Proportionalglied)Kp gain factor (proportional member)
KM Drehmomentkonstante m - MasseKM torque constant m - mass
Tj - IntegriergliedzeitkonstanteTj - integrator time constant
Tf - Filterzeitkonstante (PT1)T f - filter time constant (PT1)
TM - SystemantwortzeitTM system response time
U - Spannung yMod - Systemantwort des Modells auf sich ändernde Führungsgröße ySys - Systemantwort des Regelsystems auf sich ändernde Führungsgröße ΔySys - Gesamtänderung der Systemantwort des Regelsystems yMod - Ableitungen der Modellsystemantwort ySys - Ableitungen der Regelsystemantwort
U - voltage y Mod - system response of the model to changing reference variable y Sys - system response of the control system to changing reference variable Δy Sys - overall change of the system response of the control system y Mod - derivations of the model system response y Sys - derivations of the control system response