Use sensible digital control systems in change of the time

Use sensible digital control systems in change of the time <- Measured values manipulation time at Volkswagen AG ->

Programmers and hobby-researchers watch out! Hartmut Bakker and Co demonstrate how digital controllers lead to instability due to dead time behavior and limit cycles.

The control theory tries to make general statements over regulation organs, regulation strategies and things to be regulated, regardless of the specific application. Of course, this is only possible on the basis of idealized assumptions, which can limit the informative value of the results of this theory. The engineer’s work areas are to design control loops and, in the case of technical devices and systems, to systematically influence the amount of material, material properties, physical state variables and amounts of energy so that an intended success is achieved.

Altogether, it turns out that many potentially sensible rule structures are known. In individual cases, mostly on the basis of qualitative aspects, it is necessary to estimate which control device appears to be the most favorable with regard to the necessary design and implementation effort and the required control quality. If the control deviation is not equal to zero, i.e. set point and actual value do not agree, the engineer must use experience to estimate how changes affect the circuit behavior. In the whole the regulator should provide that the controlled variable – depending on the algorithm used – reaches the set point as quickly as possible and that the system remains stable.

About the author:

With progress of the computer technology, new, digitally working control systems are increasingly being used diligently in automation technology. The required circuit behavior is implemented with programmed control algorithms, which can map a complete automation system. The advantage of digital control systems is a high level of operating comfort with extensive control tasks in connection with complex types of controllers including a large parameter range, with no transmission errors occurring at greater distances. Another motivation for using digitally operating control loops is the storage of digital signals over a longer period of time without any loss of information, but the additional dead times resulting from the time quantization and the limit cycles that arise when the amplitude quantization is too high must be taken into account.

Besides, methods have been developed for digital control systems which go beyond the scope of the optimization and calculation processes of the analog control strategy. In view of the flexibility of micro and process computers, digital control loops can be implemented, which simply cannot be realized with analog control technology. In the case of equidistant sampling of analog signals at predetermined times, the time between two samplings is described as a sampling time or sampling period, which initially results in a time-discrete and value-continuous analog signal. Since digital signals can only assume a limited number of values due to the specified word length for the digital representation, the signal is quantized by the analog-digital conversion in addition. Ultimately, a time- and value-discrete signal should develop.

About the authors:

The analysis of dynamic systems in the time segment is a completely normal procedure in control engineering and the basic idea of optimizing parameters is to determine the quality of the system behavior. One can imagine, however, that there will be hardly a general usable quality index for the manifold problem definitions at different route types. There is a tendency for the system properties to be checked by calculation and measurement technology. It is assumed, that a stable loop behavior exists flatly and that the controller further on continues to depend on certain free parameters.

Moreover, digital controllers can operate several control systems due to the high computing speed simultaneously in a cycle, whereby a whole range of control variables in cars can be converted relatively comfortably into digital form. A fundamental problem definition could be determined with „Project measured value analysis. Programming without interfaces“, because the following facts (see eBook) show a science of the targeted influence of dynamic processes during the process flow and in most cases it is not easy to find the corresponding optimum.

-> Direct link to this book publication: www.grin.com/de/e-book/90729/
(ISBN 978-3-640-10033-0) (eBookPrice EUR 29,99 / Book-Price EUR 39,99)

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GRIN-Verlag
Hartmut Bakker
Krefelder Straße 19a

48529 Nordhorn
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E-Mail: bakker@go4more.de
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Im Wandel der Zeit sinnvoll digitale Regelkreise benutzen

Im Wandel der Zeit sinnvoll digitale Regelkreise benutzen <- Messwertemanipulationszeit bei der Volkswagen AG ->

Programmierer und Hobby-Forscher aufgepasst! Hartmut Bakker und Co demonstrieren, wie digitale Regler zur Instabilität aufgrund von Totzeitverhalten und Grenzzyklen führen.

Die Regelungstheorie versucht allgemein gültige Aussagen über Regelungsorgane, Regelungsstrategien und zu regelnde Gebilde zu machen, und zwar ohne Rücksicht auf den speziellen Anwendungsfall. Dies ist natürlich nur auf der Basis idealisierter Annahmen möglich, was die Aussagekraft der Ergebnisse dieser Theorie einschränken kann. Arbeitsbereiche des Ingenieurs sind es Regelkreise zu entwerfen und bei technischen Geräten sowie Anlagen die Stoffmengen, Stoffeigenschaften, physikalische Zustandsgrößen als auch Energiemengen planmäßig zu beeinflussen, so dass ein beabsichtigter Erfolg erreicht wird.

Insgesamt zeigt sich, dass sehr viele potentiell sinnvolle Regelstrukturen bekannt sind. Im Einzelfall ist, meist anhand qualitativer Gesichtspunkte, abzuschätzen, welche Regeleinrichtung im Hinblick auf den notwendigen Entwurfs- und Realisierungsaufwand und auf die geforderte Regelgüte am günstigsten erscheint. Ist die Regelabweichung ungleich Null, d.h. stimmen Sollwert und Istwert nicht überein, muss der Ingenieur dank Erfahrungen abschätzen, wie Änderungen das Kreisverhalten beeinflussen. Im Ganzen sollte der Regler dafür sorgen, dass die Regelgröße -je nach angewendeten Algorithmus- den Sollwert möglichst schnell erreicht und dass das System stabil bleibt.

Über den Autor:

Anhand von Fortschritten der Rechnertechnik werden in der Automatisierungstechnik zunehmend neue digital arbeitende Regelungssysteme fleißig eingesetzt. Das geforderte Kreisverhalten wird dabei mit programmierten Regelalgorithmen realisiert, die ein vollständiges Automatisierungssystem abbilden können. Vorteilhaft bei digitalen Regelungssystemen ist ein hoher Bedienungskomfort mit weitreichenden Steuerungsaufgaben in Verbindung mit aufwendigen Reglertypen inklusive großem Parameterbereich, wobei es keine Übertragungsfehler bei größeren Entfernungen gibt. Eine weitere Motivation zur Anwendung digital arbeitender Regelkreise ist die Speicherung digitaler Signale über längere Zeit ohne jeden Informationsverlust, jedoch sind die aufgrund der Zeitquantisierung entstehenden zusätzlichen Totzeiten sowie die bei zu großer Amplitudenquantisierung entstehenden Grenzzyklen zu berücksichtigen.

Zudem sind Verfahren für digitale Regelungssysteme entwickelt worden, die über den Rahmen der Optimierungs- und Berechnungsverfahren der analogen Regelungsstrategie hinausgehen. Angesichts der Flexibilität von Mikro- und Prozessrechnern können digitale Regelkreise implementiert werden, welche einfach nicht mit analoger Regelungstechnik zu realisieren sind. Bei äquidistanter Abtastung von analogen Signalen zu vorgegebenen Zeitpunkten wird nun die Zeit zwischen zwei Abtastungen als Abtastzeit oder Abtastperiode bezeichnet, womit zunächst ein zeitdiskretes und wertkontinuierliches analoges Signal entsteht. Da digitale Signale aufgrund der vorgebenden Wortbreite für die digitale Darstellung nur eine begrenzte Anzahl von Werten annehmen können, wird das Signal durch die Analog-Digital-Wandlung zusätzlich quantisiert. Es sollte sich letztlich ein zeit- und wertdiskretes Signal entwickeln.

Über die Autoren:

Die Analyse von dynamischen Systemen im Zeitsegment ist eine ganz normale Vorgehensweise in der Regelungstechnik und der Grundgedanke der Optimierung von Parametern ist die Qualität des Systemverhaltens zu bestimmen. Man kann sich jedoch vorstellen, dass es für die mannigfachen Problemstellungen bei verschiedenen Streckentypen kaum einen allgemeinen verwendbaren Güte-Index geben wird. Tendenziell werden die Systemeigenschaften rechnerisch und messtechnisch kontrolliert. Es wird davon ausgegangen, dass pauschal ein stabiles Kreisverhalten existiert und dass der Regler weiterhin von gewissen freien Parametern abhängt.

Außerdem können auf Grund der hohen Rechengeschwindigkeit digitale Regler mehrere Regelstrecken gleichzeitig im Zyklus bedienen, wobei sich eine ganze Reihe von Regelgrößen bei Autos verhältnismäßig angenehm in digitale Form überführen lassen. Eine grundsätzliche Problemstellung könnte eruiert werden mit „Projekt Messwertanalyse. Programmierung mit ohne Schnittstellen“, denn der nachfolgende Sachverhalt (siehe eBook) zeigt eine Wissenschaft der gezielten Beeinflussung dynamischer Prozesse während des Prozessablaufs und in den meisten Fällen ist es nicht einfach das entsprechende Optimum zu finden.

Direktlink zu dieser Veröffentlichung: www.grin.com/de/e-book/90729/
(ISBN 978-3-640-10033-0) (eBookPreis EUR 29,99 / Buch-Preis EUR 39,99)

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