Automatisierte Reglerinbetriebnahme für elektrische Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik

Transkript

1 Automatisierte Reglerinbetriebnahme für elektrische Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik Zur Erlangung des akademischen Grades DOKTOR-INGENIEUR vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Frank Schütte aus Warburg-Nörde Referent: Korreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. H. Grotstollen Prof. Dr.-Ing. habil. G. Brandenburg Tag der mündlichen Prüfung: 24. Mai 2002 Diss. 14/177 Paderborn 2002

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3 Berichte aus der Steuerungs- und Regelungstechnik Frank Schütte Automatisierte Reglerinbetriebnahme für elektrische Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik. D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schütte, Frank: Automatisierte Reglerinbetriebnahme für elektrische Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik / Frank Schütte. Aachen : Shaker, 2003 (Berichte aus der Steuerungs- und Regelungstechnik) Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Leistungselektronik und elektrische Antriebstechnik der Universität Paderborn. Nun, während der letzten Arbeiten an dieser Dissertation, bereitet es mir ein Vergnügen, auf die vergangenen Jahre zurückzublicken und allen zu danken, die mich in diesem Vorhaben ermutigt und unterstützt haben. Ein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Grotstollen, dem Leiter des Fachgebiets, für seine kontinuierliche Förderung und Betreuung, seine wertvollen Hinweise und Anregungen sowie für die Begutachtung der Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Brandenburg danke ich gleichfalls für die Übernahme des Korreferats und das meiner Arbeit entgegengebrachte Interesse. Bei allen Mitarbeitern des Fachgebiets bedanke ich mich für die sehr gute Zusammenarbeit und für ihre großzügig gewährte Hilfsbereitschaft. Besonders zu nennen sind hier meine ehemaligen Kollegen Herr Dr.-Ing. Stephan Beineke und Herr Dipl.-Ing. Harald Wertz. Mein Dank gilt außerdem den von mir betreuten Studenten, die mit ihren Studien- und Diplomarbeiten wesentlich zur Entstehung dieser Arbeit beigetragen haben. Meiner Frau Heike danke ich ganz herzlich für die liebevolle Unterstützung und die Rücksichtnahme, ohne die diese Arbeit nicht entstanden wäre. Frank Schütte Nörde, im Januar 2003

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7 Inhaltsverzeichnis Abkürzungen und Formelzeichen iv 1 Einleitung Gesamtsystem zur automatisierten Inbetriebnahme Identifikation der Mechanik Mathematische Beschreibung der Regelstrecke Stromgeregelter Antrieb Mechanik Anforderungen an die Parameteridentifikation Sequentielle Identifikation wesentlicher Parameter und Kennlinien Frequenzganganalyse Spektralanalyse zur Bestimmung des Frequenzgangs Bestimmung der Parameter eines Zweimassensystems Bestimmung der Parameter eines Dreimassensystems Experimentelle Ergebnisse Systematische Analyse verschiedener Drehzahlregler Konzept zur automatisierten Reglerauswahl Kriterien zur Beurteilung der Regelgüte Robustheit Modifiziertes ITAE-Kriterium Γ -Stabilität, Verschiebung dominanter Pole Zusammenstellung aller Kriterien

8 ii 5 Ausgewählte Reglerstrukturen Anforderungen an die Regeleinrichtung P-Regler mit Drehzahldifferenzaufschaltung Reglerstruktur PDD Nachbildung des Stromregelkreises unter Beachtung der Totzeit Analyse verschiedener Störgrößenbeobachter Erweiterung zum lagegeregelten System Dimensionierung des Lagereglers Sollprofile Vorsteuerung Messergebnisse Aktive Schwingungsdämpfung trotz Stellgrößenbegrenzung Einsatz eines Sperrfilters PI-Regler mit Teilsystembeobachter Reglerstrukturen PIODD und PIMDD Teilsystembeobachter und Zustandsvariablenfilter Messergebnisse PIMDD Referenzmodellregelung Reglerstruktur RMODR Messergebnisse Vollständiger PI-Zustandsregler Reglerstruktur SSPI Messergebnisse Einflüsse der Nichtlinearitäten Lose und Reibung Vergleich der Reglerstrukturen Automatisierte Reglerauswahl Bestimmung der Zeitkonstanten von Filter und Beobachter Bestimmung der einzelnen Eignungszahlen Gewichtung der Attribute - Einstellung der applikationsspezifischen Anforderungen Berücksichtigung der Nichtlinearitäten Eignung bezüglich Lose Eignung bezüglich Reibung Exemplarische Anwendung Schwach gedämpfte Mechanik mit Lose und/oder Reibung Globale Auswertung in der f e -V J -Ebene Optimierung der Regelung Reglerauswahl für eine Mechanik mit variablen Parametern Identifikation Reglerauswahl Vergleich zwischen robustem und adaptivem Regler

9 iii Online-Identifikation des Summenträgheitsmoments mittels Erweitertem Kalman-Filter Vergleich der Regler Zusammenfassung Anhang A Modellbildung, Identifikation Anhang B Reglerentwurf, Reglerparameter Anhang C Generische Ermittlung der Kennfelder Anhang D Antriebsstände Literatur