Regelung periodischer Prozesse (PDF)

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur stationär genauen Regelung periodischer,
hochdynamischer Prozesse entworfen und in zwei industriellen
Anwendungen erfolgreich zum Einsatz gebracht. Das Verfahren erhielt
den Namen ZykloRegler.
Bevor der ZykloRegler zum Einsatz kam, wurde er zunächst systemtheoretisch
analysiert. Es wurde nachgewiesen, dass er stationäre Genauigkeit
bei periodischen Führungs- und Störgrößen leistet. Die dafür im offenen
Regelkreis benötigten grenzstabilen Polstellen erfordern zur Stabilisierung
des geschlossenen Regelkreises gezielte, frequenzselektive Phasenverschiebungen
der Regelabweichung. Es wurde gezeigt, dass der ZykloRegler
die grenzstabilen Polstellen des offenen Regelkreises in stabile Polstellen
des geschlossenen Regelkreises zu überführen vermag. Dazu wurde eine
Auslegungsvorschrift für die Reglerparameter ermittelt, die Einfluss auf
die entsprechenden Polstellen haben.
Nachdem das Verfahren hinsichtlich Stabilität und stationärer Genauigkeit
theoretisch abgesichert war, erfolgte die Realisierung der ersten
technischen Anwendung.
So wurde der ZykloRegler zur elektrohydraulischen Regelung periodischer,
hochdynamischer Kraftprofile an einem Gleitlagerprüfstand
eingesetzt. Dazu wurde ein Steuergerät entwickelt, das die vom Regelalgorithmus
gestellten Anforderungen an die digitale Signalverarbeitung
erfüllt und auch die von der Sensorik und Aktorik des elektrohydraulischen
Systems geforderte analoge Signalverarbeitung leistet.
Der ZykloRegler wurde am Gleitlagerprüfstand in Betrieb genommen
und ausführlich getestet. Dabei wurden die geforderten Eigenschaften
hinsichtlich Stabilität und stationärer Genauigkeit, auch bei hochdynamischen
Führungsgrößen, unter Beweis gestellt. Die geforderten Kraftprofile
konnten exakt eingeregelt werden.
Der ZykloRegler wurde in einer zweiten Anwendung zur Regelung der
mittleren Kurbelwellendrehzahl eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung
in einem Versuchsfahrzeug eingesetzt.
Die Regelung wurde mit Hilfe eines Rapid-Prototyping-Systems im
Versuchsfahrzeug implementiert und umfangreich getestet. Da der Zyklo-
Regler stationäre Genauigkeit bei periodischen Führungs- und Störgrößen
leistet, fasst er die Funktionen Leerlaufregelung und Laufruheregelung
zusammen. Bei der Verwendung des ZykloRegler als Leerlaufregler wird
kein zusätzliches Verfahren zur Laufruheregelung benötigt.
Die hohe Regelgüte des ZykloRegler wurde in zwei verschiedenen technischen
Anwendungen unter Beweis gestellt. Bei beiden Anwendungen
wäre eine Modellbildung sehr aufwendig gewesen. Der ZykloRegler benötigt
keine Modellbildung zur Parametrierung. Er konnte mit wenig
Aufwand, überwiegend empirisch, an die jeweilige Regelstrecke angepasst
werden.
Für das Regelungsverfahren erfolgte eine Patenterteilung [6] durch das
Deutsche Patent- und Markenamt.