DE19634923A1 - Linearisierung nichtlinearer technischer Prozesse mit Hilfe eines Abweichungsbeobachter - Google Patents

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).

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.

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 analytisch

p = [c^T(hc^T - A)^-1b]^-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.

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.

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.

Die prinzipielle Funktionsweise der Linearisierung mit Hilfe des Abweichungsbeobachters wird in dem Bild 1 dargestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.

Anwendungsbeispiel Zugkraftregelung eines Fahrzeugrollenprüfstandes der mit einer fremd­ erregten Gleichstrommaschine betrieben wird Grundlagen

Fahrzeugrollenprüfstände werden für Untersuchungen an Kraftfahrzeugen verwendet. Um realistische Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, Versuche bei bestimmten Fahrsitua­ tionen durchzuführen.

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.

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.

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.

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.

Mit dem Bild 2 soll der Zusammenhang zwischen Kraft und Moment an einer Rolle erläutert werden.

Für das Drehmoment gilt die Definition:

M = F · r

mit: M = Drehmoment in [Nm]
F = Kraft in [N]
r = Wirkabstand (Rollenradius) 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.

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.

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.

Beschreibung der Modellanlage

Die Modellanlage läßt sich in folgende Bereiche unterteilen:

• - mechanischer Aufbau
• - Ansteuerung und Regelung der Maschinen
• - Meßwertaufnahme und Verarbeitung

Mechanischer Aufbau

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.

Die Zusammensetzung eines Stranges wird nachfolgend erläutert

Die Belastung des Fahrzeuges durch die Rollen des Fahrzeugrollenprüfstandes wird an der Modellanlage durch eine fremderregte Gleichstrommaschine (1 kW Nennleistung) elektrisch nachgebildet.

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.

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.

Die Zugkraft wird über eine Drehmomentmeßwelle gemessen, die sich zwischen dem Schwungmassensatz und der Gleichstrommaschine befindet. Sie ist freischwebend zwischen zwei Kupplungsflanschen aufgehängt.

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.

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.

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 (M_n = 4,233 Nm) betragen kön­ nen.

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.

Der vollständige Signalverlauf der Modellanlage ist in Bild 4 dargestellt.

Ansteuerung und Regelung der Maschinen

Die Ansteuerung der Maschinen in Bild 4 erfolgt über Stromrichter mit Feldspeisegerät bzw. über einen Frequenzumrichter.

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.

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.

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.

Meßwertermittlung

Die Messung des auftretenden Drehmoments am Maschinenstrang übernimmt die Momen­ tenmeßwelle, die sich zwischen der Gleichstrommaschine und dem Schwungmassensatz be­ findet.

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.

Anforderungen an die Regelung

Die Zugkraftregelung eines Prüfstandes unterliegt bestimmten Anforderungen. Diese Forde­ rungen werden u. a. von der amerikanischen Umweltbehörde EPA (Enviromental Protection Agency) aufgestellt.

Weitere Anforderungen wie hohe Ansprüche an die Genauigkeit der Regelung erheben die Anwender der Prüfstände (z. B. Mercedes Benz, Volkswagen AG).

Die Forderung der EPA lautet:

• - Der Istwert muß in einer Zeit von 100 ms den Sollwert zu 90% erreicht haben (Anregelzeit).

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.

Um allen Forderungen gerecht zu werden, wurden bei der Entwicklung der unterschiedlichen Konzepte zwei weitere Anforderungen an die Zugkraftregelung gestellt.

Regelungsstruktur für die Zugkraftregelung ohne Abweichungsbeobachter nach Bild 5 Untersuchung der Regeleinrichtung

Es folgt die Aufzeichnung des Momentenverlaufes der zugkraftgeregelt betriebenen Gleich­ strommaschine mit einer herkömmlichen Drehmomentregeleinrichtung (PI-Regler).

In dem Bild 6 wird die Gleichstrommaschine mit einer konstanten Sollvorgabe sowohl im Ankerstellbereich als auch im Feldschwächbereich betrieben.

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.

Zugkraftregelung eines Rollenprüfstandes mit einem Abweichungsbeobachter

Die Struktur der gesamten Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter ist in Bild 7 darge­ stellt.

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.

Die Bestimmung der Parameter des Abweichungsbeobachters ist folgendermaßen vorgenom­ men worden:

• 1) Für das Zustandsraummodell wurde zunächst eine rechnergestützte Systemi­ dentifikation durchgefährt, um das Modell des Rollenprüfstandes im Fre­ quenzbereich zu ermitteln.
• 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.
• 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.

Es wurde das konjugiert-komplexe Eigenwertpaar BE_1/2 = -43 ±j14 gewählt.

Mit dem oben gewählten Eigenwertpaar ergaben sich für den Beobachtungsvektor h und das Abweichungsfilter p ( siehe Gleichung (1) )folgende Werte:

Zugkraftregelung im gesamten Betriebsbereich

In dem Bild 8 ist der Drehmomentverlauf bei Anregung mit einem konstanten Sollwertsprung auf M_soll = 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.

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.

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.

Es zeigen

Bild 1 Prinzip des Abweichungsbeobachters

Bild 2 Definition der Zugkraft

Bild 3 Prinzipieller Aufbau der Modellanlage

Bild 4 Vollständiger Signalflußplan der Modellanlage

Bild 5 Zugkraftregelungs-Struktur ohne Abweichungsbeobachter

Bild 6 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung ohne Abweichungsbeobachter

Bild 7 Zugkraftregelungs-Struktur mit Abweichungsbeobachter

Bild 8 Drehmomentenprofil der Zugkraftregelung mit Abweichungsbeobachter

Claims (1)

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.