Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln des Istwerts einer Regelgröße eines Systems sowie eine Arbeitsvorrichtung.

Bei vielen technischen Prozessen und bei derartige Prozesse ausführenden Arbeitsvorrichtungen werden Regelsysteme zum Steuern oder Regeln des Betriebs eingesetzt. Dabei kommen bei vielen Anwendungen hysteresebasierte Regelkreise zum Einsatz. Bei derartigen hysteresebasierten Regelkreisen weicht der Mittelwert eines Istwerts einer Größe von einem vorgegebenen Sollwert ab, und zwar derart, dass - in Abhängigkeit vom Sollwert, von einer gegebenen Hysteresebreite, von Parametern der Regelstrecke und von der Abtastzeit der Regeleinheit - im Mittel eine Regelabweichung verbleibt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Regelverfahren und eine Regelvorrichtung anzugeben, bei welchen in besonders zuverlässiger und gleichwohl einfacher Weise eine verbleibende Regelabweichung reduziert, minimiert und insbesondere vermieden werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Regeln des Istwerts einer Regelgröße eines Systems erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 9. Zusätzlich wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bei einer Arbeitsvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Regeln des Istwerts einer Regelgröße eines Systems, bei welchem (I) auf der Grundlage einer hysteresebasierten Regeleinheit mit Hystereseglied und eines Sollwert-Istwert-Vergleichs eine Regelabweichung des Istwerts einer Regelgröße von einem vorgegebenen Sollwert erfasst wird und (II) auf der Grundlage und/oder Verwendung mindestens einer verallgemeinerten oder generalisierten Integralregeleinheit und in einem der hysteresebasierten Regeleinheit mit Hystereseglied vorgeschalteten und die Regelabweichung zuführenden Pfad in der Regelabweichung zu kompensierende Komponenten überlagert und insbesondere aufaddiert werden, insbesondere um dadurch den Wert der Regelabweichung zu reduzieren.

Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Sichtweise der vorliegenden Erfindung können die der Erfindung zu Grunde liegenden Konzepte auch wie folgt dargestellt werden:

(i) Der Regelabweichung werden zu kompensierende Komponenten überlagert und/oder addiert.

(ii) Die Ermittlung der Werte der zu kompensierenden Komponenten erfolgt durch einen oder durch mehrere verallgemeinerte oder generalisierte Integralregler, die kurz auch als Gl- Regler bezeichnet werden können.

(iii) Die Aufschaltung auf die Regelabweichung erfolgt vor dem hysteresebasierten Regler.

(iv) Der parallele Pfad des Gl-Reglers bestimmt aus der Regelabweichung den Wert der zu kompensierenden Komponenten und addiert diesen auf die Regelabweichung auf.

(v) Der betreffende Pfad, welcher der hysteresebasierten Regeleinheit mit Hystereseglied vorgeschaltet ist und in oder über welchem die Regelabweichung zugeführt wird, kann auch als dem hysteresebasierten Regler zuführender Pfad bezeichnet werden, wobei dieser insbesondere aus der Addition der Regelabweichung und dem Ausgang des Gl-Reglers entsteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als eine verallgemeinerte oder generalisierte Integralregeleinheit eine Resonantregeleinheit verwendet.

Bei einer alternativen oder zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als eine verallgemeinerte oder generalisierte Integralregeleinheit eine Integralregeleinheit verwendet.

Alternativ oder zusätzlich wird bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens als eine verallgemeinerte oder generalisierte Integralregeleinheit eine Regeleinheit verwendet, welche für eine oder mit einer Frequenz coo eine - insbesondere kontinuierliche - Übertragungsfunktion GGI(S) besitzt, welche mindestens einer der nachfolgenden Relationen (I) oder (II) mit und und/oder einer adäquaten zeitdiskreten Umsetzung genügt, wobei K einen Einstellparameter für die Dynamik und s einen Laplaceparameter bezeichnen.

Die Größe d beschreibt einen zusätzliche oder optionalen Dämpfungsparameter, welcher genutzt wird, um einen Frequenzbereich um eine bestimmte Frequenz w ₀ in der Regelabweichung und nicht nur diese einzelne Frequenz zu dämpfen.

Die jeweilige Frequenz coo kann je nach Anwendungsfall fest oder variabel einstellbar sein. Insbesondere kann die Frequenz auch den Wert 0 haben, d.h. es kann w ₀ = 0 gelten.

Bei komplexeren Aufgaben kann gemäß einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem dem hysteresebasierten Regler mit Hystereseglied vorgeschalteten und die Regelabweichung zuführenden Pfad eine Mehrzahl zueinander parallel geschalteter verallgemeinerter oder generalisierter Integralregeleinheiten verwendet werden. Durch diese Maßnahmen lassen sich besonders zuverlässig auch Oberwellen zu einer gegebenen Frequenz w ₀ berücksichtigen und in der Regelabweichung minimieren, also im Hinblick auf ein oder mehrere ganzzahlige Vielfache der Frequenz coo.

Dabei können in vorteilhafter Weise die verallgemeinerten oder generalisierten Integralregeleinheiten insbesondere zu jeweils voneinander verschiedenen festen oder variablen Frequenzen w ₀ in der Regelabweichung ausgelegt sein oder werden.

Entscheidend ist hierbei insbesondere, dass die Frequenz w ₀ in der Regelabweichung auftritt, nicht zwangsläufig in der Führungsgröße und/oder der Sollgröße. Die Frequenz kann durch die Führungsgröße, eine Störungsgröße oder eine Streckeneigenschaft in der Regelabweichung hervorgerufen werden. Die zu kompensierende Komponente hat also die Frequenz w ₀ . Der Regler kennt die zu kompensierende Frequenz. In der einfachen Ausführung mit nur einem Gl-Regler ist w ₀ natürlich zweckmäßig die Frequenz der Sollgröße.

Die jeweiligen Regeleinheiten können unterschiedlich ausgestaltet sein, dies betrifft hysteresebasierte Regler genauso wie verallgemeinerte oder generalisierte Integralregler.

So ist es in vorteilhafterweise möglich, als hysteresebasierte Regeleinheit eine Regeleinheit mit oder aus einem Eingrößenhystereseregler, einem Mehrgrößenhystereseregler, einem direkten Stromregler, einem SHC-Regler, einem SDHC-Regler und/oder einem schaltenden Regler zu verwenden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die mittlere Regelabweichung minimiert, Grund- und/oder Oberschwingungen in den Werten der Regelabweichung gedämpft und/oder ein Frequenzspektrum - insbesondere des Istwerts der Regelgröße - variiert und/oder eingestellt werden.

Als jeweilige hysteresebasierte Regeleinheit und/oder als verallgemeinerte oder generalisierte Integralregeleinheit kann jeweils eine Regeleinheit verwendet werden, welche ganz oder teilweise als Softwareeinheit und/oder als Hardwareeinheit, insbesondere als ASIC, FPGA und/oder als diskrete Schaltung mit oder aus diskreten Bauteilen, ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Regeln des Istwerts einer Regelgröße eines Systems, welche eingerichtet ist und/oder Mittel aufweist, ein Verfahren zum Regeln des Istwerts einer Regelgröße eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zu initiieren, ablaufen zu lassen oder auszuführen oder bei einem derartigen Verfahren verwendet zu werden.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung, welche ein Aggregat aufweist und welche eingerichtet ist, in gesteuerter oder geregelter Weise einen Arbeitsvorgang durch Betrieb des Aggregats auszuführen.

Bei der Arbeitsvorrichtung ist zum Regeln oder Steuern des Betriebs des Aggregats eine erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung ausgebildet.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Arbeitsvorrichtung eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zu initiieren, ablaufen zu lassen oder auszuführen oder bei einem derartigen Verfahren verwendet zu werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Figur 1A zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten verallgemeinerten oder des generalisierten Integralhysteresereglers.

Figur 1B zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers oder Resonantreglers, der bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verallgemeinerten oder generalisierten Integralhysteresereglers einsetzbar ist.

Figuren 2 und 3 zeigen in Form von Graphen gemessene Signalverläufe einer Istgröße y sowie der entsprechenden mittleren Istgröße y bei konstanter Sollgröße w unter Verwendung einer herkömmlichen

Hystereseregelung (Figur 2) bzw. unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Gl-Hysteresereglers (Figur 3).

Figuren 4 und 5 zeigen in Form von Graphen gemessene Signalverläufe einer Istgröße y sowie der entsprechenden mittleren Istgröße y bei sinusförmiger Sollgröße w unter Verwendung einer herkömmlichen

Hystereseregelung (Figur 4) und mit einem erfindungsgemäßen Gl- Hystereseregler (Figur 5).

Figur 6 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten verallgemeinerten oder des generalisierten Integralhysteresereglers mit alternativen Aufbau durch Verwendung einer Mehrzahl parallel geschalteter Gl-Regler.

Figuren 7 und 8 zeigen in Form von Graphen Amplitudenspektren einer Frequenzanalyse unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung (Figur 7) und mit erfindungsgemäßem Gl- Hystereseregler (Figur 8) mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Gl-Reglern.

Figur 9 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms einen herkömmlichen Eingrößenhystereseregelkreis zur Regelung eines als Regelstrecke aufgefassten technischen Systems.

Figuren 10 und 11 zeigen in Form von Graphen Signalverläufe einer Istgröße y sowie einer mittleren Istgröße y bei konstanter Sollgröße w unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung, und zwar mit unterschiedlichen Werten für die Hysteresebreite d = 0,4 (Figur 10) und d = 0,2 (Figur 11).

Figuren 12 und 13 zeigen in Form von Graphen Signalverläufe einer Istgröße y sowie einer mittleren Istgröße y bei sinusförmiger Sollgröße w (Figur 12) und die Regelabweichung e sowie die mittlere bleibende Regelabweichung e (Figur 13) unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung mit Hysteresebreite d = 0,4. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 13 Ausführungsbeispiele und der technische Hintergrund der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.

Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch Maßnahmen und Verfahren zur Verbesserung der Regelgüte und zur Dämpfung von Schwingungen bei schaltenden Reglern.

Bevor aber auf einzelne Aspekte der vorliegenden Erfindung im Detail eingegangen wird, soll zunächst der technische Hintergrund weiter erläutert werden.

Dazu zeigt Figur 9 schematisch nach Art eines Blockdiagramms einen herkömmlichen Eingrößenhystereseregelkreis als herkömmliches Regelsystem 100‘ zur Regelung eines als Regelstrecke aufgefassten technischen Systems 1.

Derartige Hystereseregler oder hysteresebasierte Regelsysteme 100‘ mit zwei oder mehr Hysteresestufen oder schaltende Regler allgemein eignen sich für diverse Regelungsaufgaben, zum Beispiel zur Temperatur- oder Stromregelung mit Wechselrichtern.

Hysteresebasierte Regler sind allgemein aufgrund der schaltenden Betriebsweise unabhängig von Streckenparametern der Regelstrecke bzw. adaptieren sich selbst.

Funktionsbedingt ergeben sich jedoch auch Nachteile. So ergibt sich im Mittel eine bleibende Regelabweichung. Durch die nicht konstante Schaltfrequenz kann es im Regelkreis zur Anregung von Resonanzen kommen. Die Problematik wird am Beispiel eines einfachen Eingrößenregelkreises erklärt.

Der Regelkreis besteht aus einem Soll-Ist-Wertvergleich 20, einem hysteresebasierten Regler 10 mit Hystereseglied 11 und einem zu regelnden technischen System 1 als Strecke, welches sowohl linear als auch nichtlinear ausgebildet sein kann.

Ein derartiger herkömmlicher Regelkreis 100‘ mit hysteresebasierte Regeleinheit 10 ist in Figur 9 dargestellt.

In einem herkömmlichen Regelnetz 50‘ mit Eingangspfad 51 und Ausgangspfad 55 ist zwischen einem ersten oder Eingangsknoten 56-1 und einem zweiten oder Ausgangsknoten 56-2 eine hysteresebasierte Regeleinheit 10 mit Hystereseeinheit 11, die auch als Hystereseglied bezeichnet werden kann, ausgebildet und der Regelstrecke 1, aufgefasst als zu regelndes technisches System, eine zeitabhängige Stellgröße u zuführt. Auf das technische System 1 wirkt ferner eine im Allgemeinen zeitabhängige Störgröße z ein.

Im Zusammenwirken zwischen dem hysteresebasierten Regler 10 mit Hystereseglied 11 und der Regelstrecke, repräsentiert durch das technische System 1 wird die Regelgröße y entsprechend eingestellt und über den zweiten oder Ausgangsknoten 56-2 über den Rückkoppel pfad 56 an den ersten oder Eingangsknoten 56-1 zurückgeführt.

Am ersten oder Eingangsknoten 56-1 ist eine Vergleichseinheit 20, zum Beispiel im Sinne eines Addierer oder Subtrahierers, ausgebildet, durch welche der über den Rückkoppelpfad 56 zurückgeführte Wert der Regelgröße y mit dem Wert der Führungsgröße w, welcher über den Eingangspfad 51 zugeführt wird, verglichen wird, zum Beispiel durch eine Differenzbildung.

Das Ergebnis des Vergleichs gibt den Wert einer Regelabweichung e, welche über den Zuführpfad 52 dem hysteresebasierten Regler 10 mit Hystereseglied 11 zugeführt wird.

Damit ist das Regelnetz 50‘ des herkömmlichen Regelsystems 100‘ geschlossen.

Die konkrete Problematik, die erfindungsgemäß vermieden werden soll, wird an einer Strecke mit Tiefpassverhalten 1. Ordnung aufgezeigt.

Bei einer konstanten Sollgröße w ergibt sich eine periodische Arbeitsbewegung der Istgröße y um den Wert der Sollgröße w. Der Mittelwert y der Istgröße y weicht jedoch vom Wert der Sollgröße w ab. Es ergibt sich eine mittlere bleibende Regelabweichung, welche abhängig vom Sollwert, der Hysteresebreite und den Parametern der Strecke ist, charakterisiert durch die Übertragungsfunktion G _s (s). Der Verlauf der beschriebenen Größen ist in den Figuren 10 und 11 beispielhaft für zwei verschiedene Hysteresebreiten d dargestellt. Eventuell vorhandene Totzeiten im Regelkreis 100‘ verändern den Mittelwert der Istgröße zusätzlich.

Die Figuren 10 und 11 zeigen also in Form von Graphen 180 und 190 Signalverläufe 183, 193 einer Istgröße y sowie einer mittleren Istgröße y in den Spuren 185, 195 bei konstanter Sollgröße w, die in den Spuren 184, 194 dargestellt ist, und zwar unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung und mit unterschiedlichen Werten für die Hysteresebreite d = 0,4 (Figur 10) und d = 0,2 (Figur 11).

Auf den Abszissen 181, 191 sind die Zeiten und auf den Ordinaten 182, 192 jeweils die Signalamplituden aufgetragen. Bei genauer Kenntnis aller Streckenparameter, Hystereseparameter und dem Sollwert, ließe sich die mittlere Regelabweichung durch aufwendige numerische Verfahren oder teils auch analytisch berechnen.

Auch bei sinusförmiger Sollgröße w, wie sie bei der direkten Stromregelung durch Wechselrichter auftritt, ergibt sich eine Abweichung der mittleren Istgröße y vom Sollwert w. Diese äußert sich in einer abweichenden Amplitude und einer Phasenverschiebung. Somit entsteht eine sinusförmige mittlere bleibende Regelabweichung e.

Dies ist für eine Regelstrecke mit einem Tiefpassverhalten 1. Ordnung in den Figuren 12 und 13 dargestellt.

Die Figuren 12 und 13 zeigen dazu in Form von Graphen 200 und 210 Signalverläufe 203 einer Istgröße y sowie in der Spur 205 den Verlauf einer mittleren Istgröße y bei in der Spur 204 gezeigter sinusförmiger Sollgröße w (Figur 12) bzw. in der Spur 213 die Regelabweichung e und in der Spur 214 die mittlere bleibende Regelabweichung e (Figur 13) unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung mit Hysteresebreite d = 0,4.

Auf den Abszissen 201, 211 sind wieder die Zeiten und auf den Ordinaten 202, 212 jeweils die Signalamplituden aufgetragen.

Durch Wechselrichtertotzeiten und bei der mehrphasigen direkten Stromregelung durch Hysteresestromregler entstehen neben der gewünschten Grundschwingung auch zusätzliche Oberschwingungen (Vielfache der Grundschwingung). Schwingungsfähige Strecken können darüber hinaus durch die variable Schaltfrequenz der Hystereseglieder angeregt werden.

Nach aktuellem Stand der Technik wird das eigentliche Problem der bleibenden Regelabweichung nicht gelöst oder vermieden, da meist überlagerte Regler eingesetzt werden, die ein übergeordnetes Regelziel verfolgen und somit einen abweichenden Sollwert für den Hystereseregelkreis generieren, um so den Effekt der Regelabweichung auszugleichen. Dies ist jedoch nur bei Verwendung von kaskadierten Regelkreisen möglich.

Liegt jedoch ein einschleifiger Regelkreis wie in Figur 9 vor, so ist das oben beschriebene Vorgehen nicht möglich.

Deswegen kann hier durch Anpassung der Hysteresegrenzen eine Verbesserung erzielt werden.

Diese Art der überlagerten Hysteresebreitenregelung ist jedoch sehr aufwendig und rechenintensiv, da der (mittlere) Regelfehler aufwendig bestimmt und die Hysteresegrenzen stets nachgeführt werden müssen. Dies muss im Allgemeinen mit einer sehr hohen Abtast- und Rechenfrequenz geschehen, weswegen meist ein FPGA verwendet wird. Es sei hierzu auf EP 3 327 912 A1 und die Veröffentlichung [2] verwiesen.

Alternativ zur Hysteresebreitenregelung kann eine überlagerte Regelung eingesetzt werden, welchen die mittlere Regelabweichung auf den Sollwert addiert. In jedem Fall entstehen jedoch ein übergeordneter Regelkreis bzw. eine zusätzliche Regelschleife.

Neben den hysteresebasierten Regelverfahren werden überwiegend lineare Regler eingesetzt.

Bei diesen linearen Reglern tritt das oben beschriebene Problem nicht auf, weil lineare Proportionalintegralregler (PI-Regler) bzw. Proportionalresonantregler (PR-Regler) die Regelabweichung stets minimieren. Diese können im Fall der Stromregelung durch sogenannte Spannungsmodulatoren, meist in Form einer Pulsweitenmodulation (PWM), erweitert sein.

Diese Regler sind zum Beispiel in der Veröffentlichung [3] erläutert.

Ein Ziel der Erfindung besteht unter anderem darin, eine Reduzierung oder gar Minimierung der mittleren Regelabweichung für das Nutzsignal (Grundschwingung bzw. Gleichanteil) zu erreichen.

Des Weiteren ist sie jedoch alternativ oder zusätzlich zur Dämpfung von anderen Schwingungen geeignet, so zum Beispiel zur Reduzierung eventuell auftretender Oberschwingungsanteile und zur Dämpfung von Resonanzen.

Dies wird durch die erfindungsgemäße Erweiterung des herkömmlichen Hysteresereglers 60‘ unter Verwendung eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers (englisch: generalized integral Controller) (Gl-Regler, Gl-Controller) zu einem verallgemeinerten oder generalisierten Integralhystereseregler 60 erreicht, welcher nach dem inneren Modellprinzip funktioniert.

Bei linearen Reglern und reinen Wechselgrößen wird dieser auch als (proportional-) resonanter Regler (PR-Regler) bezeichnet. Der Gl-Regler nutzt die Regelabweichung des Hysteresereglers und addiert weitere zu kompensierende oder kompensierende Anteile auf. Es entsteht der verallgemeinerte oder generalisierte Integralhystereseregler, Gl- Hystereseregler (englisch: generalized integral hysteresis Controller), dessen allgemeiner Aufbau in Figur 1A dargestellt ist. Figur 1A zeigt dazu schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten verallgemeinerten oder generalisierten Integralhysteresereglers 60.

In Ergänzung zu dem in Figur 9 dargestellten Aufbau eines herkömmlichen Regelsystems 100‘ wird bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten Regelsystem 100, wie es im Zusammenhang mit Figur 1A dargestellt ist, zusätzlich im Zuführpfad 52 zum hysteresebasierten Regler 10 mit Hystereseglied 11 ein verallgemeinerter oder generalisierte Integralregler 30 parallel zum Zuführpfad 52, nämlich zwischen den Abschnitten 52-1 und 52- 2 und den entsprechenden Knoten 52-3 und 52-4 eingefügt. Der erfindungsgemäß eingefügte verallgemeinerte oder generalisierte Integralregler 30 wird vorangehend und nachfolgend der Einfachheit halber auch als Gl-Regler 30 bezeichnet.

Über den Eingangsknoten 52-3 wird dem Gl-Regler 30 der momentane Wert der Regelabweichung e zugeführt. Der Gl-Regler 30 ist dazu ausgebildet, einen Anpassungswert oder Kompensationswert Ae zur Regelabweichung e zu generieren. Der genaue Prozess zum Erzeugen des Anpassungswerts Ae wird im Zusammenhang mit der Figur 1 B unten im Detail erläutert.

Der Anpassungswert Ae zur Regelabweichung e wird über dem Knoten 52-4, an welchem ein Addierer 21 ausgebildet ist, dem Momentanwert der Regelabweichung e hinzugefügt, nämlich durch Überlagerung oder Addition. Das Ergebnis dieser Überlagerung bildet dann den Eingangswert für den hysteresebasierten Regler 10 mit Hystereseglied 11.

Es ist in diesem Zusammenhang gleichgültig, welche Art von zu Grunde liegenden Hystereseregler 10 mit Hystereseglied 11 verwendet wird. So sind allgemeine Eingrößenhystereseregler, Mehrgrößenhystereseregler oder spezielle Hystereseregler zur direkten Stromregelung (zum Beispiel SHC, SDHC) oder andere schaltende Regler denkbar.

Die erfindungsgemäße Erweiterung ist für alle hysteresebasierten Regler 10 einsetzbar und trägt stets zur Verbesserung der Regelgüte bei, ohne dass der Aufbau oder jeglicher Parameter des zu Grunde liegenden Hysteresereglers 10 verändert werden müssen.

Die Publikation [4] zeigt im Vergleich einen herkömmlichen Aufbau mit reinem I-Anteil. Diese Anordnung liefert jedoch für Wechselgrößen nicht das gewünschte Ergebnis. Zudem ist eine gezielte Berücksichtigung oder Dämpfung der Oberschwingungen damit nicht möglich.

Der Aufbau des erfindungsgemäß verwendeten Gl-Reglers 30 ist in Figur 1B beschrieben und lässt sich für feste Frequenz durch die Übertragungsfunktion G _CI (s ) einer Grundeinheit beschreiben, insbesondere - wie bereits oben dargestellt wurde - gemäß dem Zusammenhang (I) oder gemäß dem Zusammenhang (II) wobei w ₀ die Frequenz der zu kompensierenden Komponente in der Regelabweichung e , K einen Einstellparameter für die Dynamik, s einen Laplaceparameter und d einen zusätzliche, ggf. optionalen Dämpfungsparameter bezeichnen, wobei letzterer genutzt werden kann, um einen Frequenzbereich um eine bestimmte Frequenz w ₀ in der Regelabweichung und nicht nur diese einzelne Frequenz zu dämpfen.

Figur 1B zeigt dazu schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers 30 oder Resonantreglers, der bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verallgemeinerten oder generalisierten Integralhysteresereglers 60 einsetzbar ist. Details der Konfiguration und der Funktionalitäten eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers als solchem können der Veröffentlichung [3] entnommen werden.

Der Regelkreis 36 oder das Regelnetz 36 eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers 30, der vorangehend und nachfolgend auch kurz als Gl-Regler 30 bezeichnet wird, weist (i) einen Eingangspfad 36-1 mit einem Verstärker 34“ mit Verstärkung K mit einem Ausgang zu einem ersten oder Eingangsknoten 31-1 und (ii) einen Ausgangspfad 36-4 an einem Ausgangsknoten 31-2 auf.

Die über den Eingangspfad 36-1 zugeführte Größe ist die Regelabweichung e.

Die über den Ausgangspfad 36-4 ausgegebene Größe ist der vom Gl-Regler 30 erzeugte und ausgegebene Anpassungswert oder Kompensationswert Ae.

Der Ausgang des Verstärkers 34“ bildet also den Eingangs- oder Zuführpfad zum ersten Knoten 31-1, an welchem der Vergleicher 37, zum Beispiel im Sinne eines Addierers oder Subtrahierers, ausgebildet ist.

Am Ausgangsknoten 31-2 des Regelnetzes 36 wird der erzeugte Anpassungswert Ae über einen am Knoten 31 -2‘ zweigeteilten Rückkoppelpfad 38 mit Teilpfaden 36-5, 36-6, 36-8, 36- 8‘ für einen ersten Teilrückkoppelpfad 38‘ und mit Teilpfaden 36-5‘, 36-6‘, 36-8“ für einen zweiten Teilrückkoppelpfad 38“ zurückgeführt.

Beide Teilrückkoppelpfade 38‘, 38“ werden überlagert und insbesondere in einem Addierer 37‘ am Knoten 31 -T addiert, wodurch der erste Zwischenanpassungswert Ae‘ entsteht. Der erste Zwischenanpassungswert Ae‘ wird über den Vergleicher 37 am Knoten 31-1 im Zusammenwirken mit der vom Verstärker 34“ verstärkten Regelabweichung Ae in einen zweiten Zwischenanpassungswert Ae“ überführt.

Hauptkomponenten des Gl-Reglers 30 sind im Regelnetz 36 angeordnete erste und zweite Integrierer 32 und 33.

Der erste Integrierer 32 befindet sich im Hauptpfad zwischen den ersten und zweiten Knoten 31-1 bzw. 31-2 und somit zwischen den Teilpfaden 36-2 und 36-3.

Der zweite Integrierer 33 befindet sich im ersten Teilrückkoppelpfad 56‘ und somit zwischen den Teilpfaden 36-5 und 36-6.

Der zweite Integrierer 33 erzeugt im Zusammenwirken mit einem Multiplizierer 35 (mit drei Eingängen), einem Zuführer 34 einer Frequenz w ₀ über zuführende Teilpfade 36-8 und 38-8‘ und dem zweiten Teilrückkoppelpfad 38“ den ersten Zwischenanpassungswert Ae‘, insbesondere im Sinne einer Überlagerung oder Addition mittels des Addierers 37‘ am Knoten 31 -T.

Im zweiten Teilrückkoppelpfad 56“ wird dabei über die zu führenden Teilpfade 36-5‘ und 36-6‘ der erzeugte Anpassungswert Ae über einen Verstärker 34‘ mit Verstärkung 2d und einen Multiplizierer 35‘ mit der Frequenz w ₀ zum Addierer 37‘ am Knoten 31 -T zurückgeführt.

Der Gl-Regler beschreibt in dieser Ausführungsform insbesondere einen Oszillator mit der Frequenz w ₀ mit oder ohne Dämpfung, welcher die zu kompensierenden Anteile in der Regelabweichung ermittelt und der Regelabweichung aufaddiert. Hierbei können über den Parameter K die Dynamik des Einschwingvorgangs des Oszillators und über den Parameter d eine Dämpfung des Oszillators eingestellt werden, wodurch sich zusätzlich der Frequenzbereich um die Frequenz w ₀ vergrößert.

Für die Frequenz w ₀ = 0 ergibt sich ein Integralregler.

Allgemein basiert dieser Regler auf dem Inneren-Modell-Prinzip.

Durch dieses Prinzip lässt sich die Regelabweichung einer Frequenz w ₀ minimieren oder zu null regeln. Für variable Frequenz in der Regelabweichung wird die Frequenz w ₀ nachgeführt.

Die technische Umsetzbarkeit wird anhand von Prüfstandsmessungen gezeigt. Hierbei wurde der Strom in einer ohmsch-induktiven Last mit einem einphasigen Wechselrichter über einen Hystereseregler eingestellt. Die Figuren 2 bis 5 zeigen einen Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik, einmal für konstanten und einmal für sinusförmigen Sollwert.

In den Figuren 2 und 4 sind dabei jeweils die Verläufe mit einem herkömmlichen oder Standardhystereseregler 60‘ und in den Figuren 3 und 5 die Verläufe mit der erfindungsgemäßen Erweiterung mit Gl-Hystereseregler 60 dargestellt.

Insbesondere zeigen dabei die Figuren 2 und 3 in Form von Graphen 120 und 130 gemessene Signalverläufe in den Spuren 123 und 133 einer Istgröße y sowie in den Spuren 125 und 135 der entsprechenden mittleren Istgröße y bei konstanter Sollgröße w, die in den Spuren 124 und 134 dargestellt ist, und zwar unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung mit einem herkömmlichen Regler 60‘ in Figur 2 bzw. unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Gl-Hysteresereglers 60 in Figur 3.

Andererseits zeigen dabei die Figuren 4 und 5 mit den Graphen 140 und 150 gemessene Signalverläufe einer Istgröße y in den Spuren 143 und 153 sowie der entsprechenden mittleren Istgröße y in den Spuren 145 und 155 bei sinusförmiger Sollgröße w, welche in den Spuren 144 und 154 dargestellt ist, und zwar unter Verwendung einer herkömmlichen Hystereseregelung mit einem an sich bekannten Regler 60‘ in Figur 4 und mit einem erfindungsgemäß verwendeten Gl-Hystereseregler 60 in Figur 5.

Der Regler 60‘ und 60 wurde hierfür auf einem Echtzeitrechensystem implementiert. Die Rechenfrequenz liegt bei 125 kHz.

Des Weiteren lassen sich durch das Aufschalten weiterer Grundeinheiten des erfindungsgemäß verwendeten Gl-Reglers 30 in den Hystereseregelkreis auch Oberschwingungen zur Grundschwingung w ₀ und eventuell auftretende Gleichanteile kompensieren.

Die Oberschwingungen sind geradzahlige Vielfache der Grundschwingung.

Somit lässt sich durch Ersetzen von w ₀ durch i w ₀ in der Übertragungsfunktion G _CI (s ) des Gl-Reglers 30 auch die i-te Oberschwingung zu null regeln.

Gleiches gilt auch bei w ₀ = 0, also für den Gleichanteil. Hierfür gilt wiederum das Innere- Modell-Prinzip. Es lassen sich beliebig viele Grundeinheiten zu einander parallelschalten, um alle gewünschten Grund- und Oberschwingungsanteile sowie den Gleichanteil in der Regelabweichung zu minimieren.

Dies ist im Zusammenhang mit dem alternativen Aufbau gemäß Figur 6 dargestellt. Die Anordnung gemäß Figur 6 weist eine Mehrzahl parallel geschaltete Grundeinheiten des Gl-Reglers in Verbindung mit einem Hystereseregler auf.

Dazu zeigt Figur 6 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms den Aufbau eines erfindungsgemäß ausgestalteten verallgemeinerten oder des generalisierten Integralhysteresereglers 60 mit einem alternativen Aufbau, nämlich durch Verwendung einer Mehrzahl parallel geschalteter Gl-Regler 30.

Die Wirksamkeit ist für den Fall des direkten Stromreglers SDHC eines Wechselrichters an einem dreiphasigen Stromnetz anhand von Simulationsergebnissen in den Figuren 7 und 8 gezeigt.

Bei den dort gezeigten Graphen 160 und 170 handelt es sich um halblogarithmische Darstellungen, bei welchen auf den Abszissen 171 und 181 die Frequenz und auf den Ordinaten 172 und 182 das Fourierspektrum der jeweiligen Fehlerstromamplituden logarithmisch für die in den Spuren 173, 174, 175 bzw. 183, 184, 185 dargestellten Phasen u, v und w eines dreiphasigen Stroms aufgetragen sind.

Bei der Darstellung gemäß Figur 7 gemäß dem Stand der Technik sind deutliche Frequenzanteile der 1., 5., 7., 11., 13., 17. bzw. 19. Harmonischen der Sollfrequenz von 50 Hz in der Regelabweichung zu erkennen.

Die Figuren 7 und 8 beschreiben in Form von Graphen eine Frequenzanalyse (FFT) eines Regelfehlers drei Phasenströme bei Verwendung des Reglers SDHC nach dem Stand der Technik in Figur 7 und bei einer Fortbildung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von parallelen Gl-Reglern für die 1., 5., 7. und 13. Harmonische in Figur 8.

Durch die Erweiterung mit mehreren parallelen Gl-Reglern gemäß der Ausführungsform nach der Darstellung aus Figur 6 lassen sich also gezielt einzelne Harmonische - zum Beispiel die 1., 5., 7. und 13. Harmonischen - in gezielter Weise reduzieren oder minimieren. In der Darstellung gemäß der Figur 8 wurde die 11. Harmonische in der Simulation bewusst nicht beeinflusst.

Neben einzelnen Frequenzen lassen sich auch größere Bereiche um eine bestimmte Frequenz dämpfen.

Dies kann durch eine geringfügigere Veränderung der Übertragungsfunktion des Gl-Reglers 30 erreicht werden. Damit lassen sich auch Eigenfrequenzen von schwingungsfähigen Strecken dämpfen bzw. erst gar nicht anregen:

G _GI (S) = K s ² +2da> ₀ s+a> ₀ ² Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch die Integration eines Gl-Reglers 30 in einen Hystereseregelkreis 50.

Durch die Kombination beider Regler - nämlich dem Hystereseregler 10 mit dem Hystereseglied 11 und Gl-Regler 30 - zum Gl-Hystereseregler 60 können die Vorteile beider vereinigt werden.

Ein derartig erfindungsgemäß ausgestalteter Gl-Hystereseregler 60 besitzt nämlich die Dynamik eines herkömmlichen Hysteresereglers 10 und hat zudem die positiven Eigenschaften der linearen Regler, zum Beispiel eines PI-Reglers oder eines PR-Reglers auf die Regelabweichung.

Eine derartige Kombination ist erfindungsgemäß von besonderem Vorteil, weil bisher und also herkömmlicherweise der Aufbau des Hystereseregelkreises als unveränderbare Einheit gesehen wurde.

Eine Erweiterung durch bekannte lineare Regleranteile ist bisher nicht erfolgt. Insbesondere ist die Verwendung von mehreren parallelen Grundeinheiten eines Gl-Reglers in einem Hystereseregelkreis, nämlich zur gleichzeitigen Erreichung mehrerer Regelziele, herkömmlicherweise unbekannt.

Die neuartige Konfiguration kann auch als Reihenschaltung zweier Regler, nämlich eines Hysteresereglers und eines Gl-Regler, in einem einzigen Regelkreis aufgefasst werden.

Gemäß einer alternativen Darstellung der vorliegenden Erfindung kann in diesem Zusammenhang auch von einem linearen Regler mit Hysteresemodulator gesprochen werden, abweichend von oder alternativ zu einem Pulsweitenmodulator.

Allgemein kann der zusätzliche Gl-Regler das Frequenzspektrum der hysteresegeregelten Istgröße aktiv beeinflussen bzw. verändern. Es lassen sich Frequenzanteile sowohl dämpfen wie auch verstärken. Dies ermöglicht die gezielte Formung des Spektrums und die Verhinderung der Resonanzanregungen. Eine solche Erweiterung ist für alle Hysterese- Regler bzw. schaltenden Regler anwendbar bzw. übertragbar. Es ergeben sich keine Einschränkungen auf spezielle Typen.

Durch die Erfindung lassen sich Hystereseregler - wie in der Abfolge der Figuren 2 bis 5 dargestellt ist - auf leistungsschwächeren Rechensystemen implementieren, ohne dass es zu großen Einbußen bei der Regelgüte kommt. Dadurch entsteht zusätzlich zu den positiven Reglereigenschaften ein erheblicher Kostenvorteil bei der Umsetzung des Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik. Gemäß einer weiteren alternativen Sichtweise besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung in dem Vorsehen einer Regelung eines technischen Systems durch einen Hystereseregler, bei dem ein Istwert innerhalb einer Hysteresegrenze um einen Sollwert gehalten wird.

Zur Verhinderung einer mittleren bleibenden Regelabweichung sowie zur Einstellung des Frequenzspektrums wird ein linearer Regler in Reihe zum Hystereseregler geschaltet und betrieben.

Aspekte der vorliegenden Erfindung sind einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander

- die Erweiterung eines Hysteresereglers mit einem generalisierten Integralregler oder resonanten Regler,

- die Parallelschaltung von mehreren Gl-Reglern im Hystereseregelkreis,

- die Anwendung für feste und/oder variable Frequenz,

- die Minimierung der mittleren Regelabweichung und/oder die Dämpfung von Oberschwingungen bzw. Resonanzen in der Regelabweichung,

- das Verändern und/oder Einstellen eines Frequenzspektrums des Istwerts einer Regelgröße.

Zusätzlich oder alternativ kann die vorliegende Erfindung auch einen oder mehrere der nachfolgend aufgelisteten Aspekte schaffen oder aufweisen:

- ein direktes Regeln auf der Grundlage und/oder unter Verwendung eines Hysteresereglers oder Zweipunktreglers, bei dem insbesondere eine mittlere, verbleibende

Regelabweichung e durch Justieren von Regelabweichungen relativ zu einem vorgegebenen Hysteresefenster des Hysteresereglers minimiert wird.

- ein Bestimmen der Frequenz coo eines periodischen Sollwertsignals und/oder eines periodischen Teilsignals der Regelabweichung,

- ein Bestimmen eines mittleren Fehlers aus der Regelabweichung e innerhalb einer vorgegebenen Regelstrecke und insbesondere ein Addieren des mittleren Fehlers zur Regelabweichung e an einer vor dem Hystereseregler liegenden Stelle,

- wobei insbesondere der mittlere Fehler mit Hilfe eines verallgemeinerten oder generalisierten Integralreglers oder resonanten Reglers bestimmt wird und/oder indem die Regelabweichung e kontinuierlich berücksichtigt wird,

- ein Parallelschalten mehrerer auf Oberwellen i w ₀ und/oder auch unabhängiger Frequenz w ₀ ausgelegter Gl-Regler, um in einem Frequenzspektrum auch die durch die Regelabweichung e eines periodischen Sollwertsignals oder Teils des Sollwerts Signals auftretenden Oberwellen zu eliminieren.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung können mit der Erfindung im Zusammenhang stehende Übertragungsfunktionen kontinuierlich oder zeitdiskret implementiert sein oder werden. Die jeweils vorgesehenen Integratoren oder Integrierer können ebenfalls kontinuierlich oder zeitdiskret implementiert sein oder werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln können ganz oder teilweise als Software oder als Hardware realisiert sein, in letzterem Fall teilweise oder vollständig als ASIC, FPGA und/oder mit oder als eine oder mehrere diskrete Schaltungen mit oder aus diskreten Bauelementen.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann insgesamt oder für bestimmte Ausführungsformen ein Mittelwert aufgefasst werden als Mittelwert oder mittlerer Wert über einen vergleichsweise kurzen Zeithorizont und insbesondere über einen Schaltzyklus, in welchen der Wert einer zu betrachten Größe gemittelt wird. Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Figuren 1 bis 13 Bezug genommen.

Literatur

[1] SIEMENS AG: „Hystereseregelung eines Ausgangsstroms eines Stromrichters“, EP 3 327 912 A1, 2016.

[2] A. Albanna: Modeling & Simulation of Hysteresis Current Controlled Inverters Using MATLAB, Applications of MATLAB in Science and Engineering, Prof. Tadeusz

Michalowski (Ed.), ISBN: 978-953-307-708-6, 2011.

[3] D. Zammit et al.: Design of PR current control with selective harmonic compensators using Matlab, Journal of Electrical Systems and Information Technology, Vol 4, Issue 3, page 347-358, 2017. [4] I. Laptev et al.: Direct sliding mode current control of feed drives, CIRP Annals,

Volume 64, Issue 1, Pages 373-376, 2015.

[5] H. Wiessman: Hochdynamisches direktes Stromregelverfahren für Pulswechselrichter im Vergleich zu PWM-Verfahren, Verlag Dr. Hut, 2012.

Bezugszeichenliste

I (zu regelndes und/oder technisches) System

10 hysteresebasierte Regeleinheit, Hystereseregeleinheit, Hystereseregler, Zweipunktregler

I I Hystereseeinheit, Hystereseglied

20 Vergleicher, Addierer, Subtrahierer

21 Vergleicher, Addierer, Subtrahierer

30 verallgemeinerte/generalisierte(r) Integralregeleinheit/Integralregler

31-1 Knoten

31-1 ‘ Knoten

31-2 Knoten

31 -2‘ Knoten

32 (erster) Integrierer/Diskretzeitintegrierer

33 (zweiter) Integrierer/Diskretzeitintegrierer

34 Zuführung Grundfrequenz 34‘ Verstärker Dämpfung 34“ Verstärker Dynamik

35 (erster) Multiplikator, Multiplizierer

35‘ (zweiter) Multiplikator, Multiplizierer

36 Regelnetz, Regelkreis des Gl-Reglers 30

36-1 Teilpfad, Eingangspfad

36-2 Teilpfad 36-3 Teilpfad

36-4 Teilpfad, Ausgangspfad

36-5 Teilpfad

36-5‘ Teilpfad

36-6 Teilpfad

36-6‘ Teilpfad

36-7 Teilpfad

36-8 Teilpfad

36-8‘ Teilpfad

36-8“ Teilpfad

37 Vergleicher, Addierer, Subtrahierer

37‘ Vergleicher, Addierer, Subtrahierer

38 Rückkoppelpfad

38‘ (erster) Teilrückkoppelpfad

38“ (zweiter) Teilrückkoppelpfad 50 (erfindungsgemäßes) Regelnetz, Regelkreis

50 (herkömmliches) Regelnetz, Regelkreis

51 Eingangspfad

52 Zuführpfad

52-1 Teilpfad

52-2 Teilpfad

52-3 Knoten

52-4 Knoten

52-5 Teilpfad

52-6 Teilpfad

53 Pfad

54 Pfad

55 Pfad

56 Rückkoppelpfad

56-1 Knoten

56-2 Knoten

60 (erfindungsgemäße(r)) verallgemeinerte(r) oder generalisierte(r)

Integralhystereseregeleinheit oder Gl-Hystereseregler

60 (herkömmliche(r)) Hystereseregeleinheit oder Hystereseregler

100 (erfindungsgemäße) Vorrichtung zum Regeln, (erfindungsgemäßes) Regelsystem

100 herkömmliche Vorrichtung zum Regeln, herkömmliches Regelsystem

120 Graph

121 Abszisse

122 Ordinate

123 Spur

124 Spur

125 Spur

130 Graph

131 Abszisse

132 Ordinate

133 Spur

134 Spur

135 Spur

140 Graph

141 Abszisse 42 Ordinate 43 Spur 44 Spur

145 Spur

150 Graph

151 Abszisse

152 Ordinate

153 Spur

154 Spur

155 Spur

160 Graph

161 Abszisse

162 Ordinate

163 Spur

164 Spur

165 Spur

170 Graph

171 Abszisse

172 Ordinate

173 Spur

174 Spur

175 Spur

180 Graph

181 Abszisse

182 Ordinate

183 Spur

184 Spur

185 Spur

190 Graph

191 Abszisse

192 Ordinate

193 Spur

194 Spur 195 Spur

200 Graph

201 Abszisse

202 Ordinate

203 Spur

204 Spur

205 Spur

210 Graph

211 Abszisse

212 Ordinate

213 Spur

214 Spur d Verstärkung Dämpfung e Regelabweichung

Ae Korrektur zur Regelabweichung, Anpassungswert

Ae‘ erster Zwischenanpassungswert

Ae“ zweiter Zwischenanpassungswert

K Verstärkung Dynamik u Stellgröße w Führungsgröße y Regelgröße z Störgröße