Georg Schoppel

Simulationsgestützte Optimierung von Gleitzustandsreglern für hydraulische Wegeventile

Zusammenfassung Dieser Beitrag betrachtet den Entwurf von Gleitzustandsreglern für hydraulische Wegeventile. Ausgehend von der Motivation, die Komplexität der gegenwärtig verwendeten Regler zu reduzieren, wird ein Ansatz basierend auf der Gleitzustandsregelung zweiter Ordnung diskutiert. Typischerweise erfolgt die Parametrisierung der Regler im Kontext hydraulischer Systeme durch Evolutionäre Optimierungen, die eine Vielzahl von zeitaufwändigen Experimenten am realen System durchführen. Dieser Beitrag verfolgt ein simulationsgestütztes Vorgehen. Für das hydraulische Wegeventil wird ein physikalisch motiviertes Streckenmodell vorgestellt, anhand dessen in der Simulation die Regler parametrisiert werden. Der Vergleich zwischen den simulierten und real gemessenen Sprungantworten zeigt eine hohe Übereinstimmung und ein Verlust an Regelgüte ist beim Übergang von der Simulation zum realen System nicht erkennbar. Im Vergleich zu anderen Verfahren kann somit gezeigt werden, dass durch Verwendung von Simulationsmodellen für Wegeventile die Inbetriebnahmezeiten deutlich reduziert werden können.

Performance evaluation of nonlinear surfaces for sliding mode control of a hydraulic valve

This paper discusses the problem of position control of a directional valve in absence of a plant model. Due to strong nonlinearities of the system, advanced control strategies are mandatory if ideal closed-loop performance is recommended. Oftentimes, strategies based on complex PID-control structures using nonlinear gains for different controller branches, containing many highly correlated parameters are introduced to reach the desired performance. In order to overcome the complexity, this paper discusses different sliding mode strategies and ways of defining the closed-loop performance by using nonlinear sliding surfaces. A new analytic approach based on the idea of dynamical pole placement to define an adaptive sliding surface is presented for increasing the closed-loop performance. The automated parameter design is carried out by using a hardware-in-the-loop optimization of the step responses. Test results confirm an improved closed-loop performance for the introduced approach compared to other linear and nonlinear sliding surfaces.

Lyapunov-based self-tuning of sliding surfaces — methodology and application to hydraulic valves

This publication discusses the topic of sliding mode control and its practical application to position control of a hydraulic directional valve. The main issue relies on the design of an adaptive sliding function, to achieve optimal closed loop performance. For this, a Lyapunov-based stability proof for a second order sliding mode controller is presented. To obtain adaption functionality, it is extended by considering the sliding function parameters. This achieves a stable adaption of the closed loop dynamics. Further, the advantages of nonlinear sliding functions in comparison to linear ones are discussed and an approach based on the idea of dynamical pole placement is extended by the newly introduced self-tuning process. To discuss the features of the proposed adaption law, the application of sliding mode control of a hydraulic valve is considered, where no prior parameter optimization is carried out before. The proposed adaption law achieves a high closed loop performance within a short period of time without any need of parameter optimization. Additionally it is shown, that the use of a nonlinear sliding function increases the closed loop performance, compared to a linear formulation.

Struktur- und Parameteridentifikation mit Evolutionären Algorithmen

Zusammenfassung Modellierung und Identifikation dynamischer Systeme sind wichtige Aspekte der Regelungstechnik. Dieser Beitrag stellt einen Ansatz zur Optimierung von strukturvariablen Modellen dynamischer Systeme mit multikriteriellen evolutionären Algorithmen vor. Die Methode verwendet spezifische evolutionäre Operatoren zur simultanen Optimierung der Struktur eines Modells und ihrer Parameter. Basierend auf Ein- und Ausgangsdaten des realen Systems ermittelt die Strategie eine Menge von optimalen Modellen, die einen Kompromiss zwischen Qualität und Komplexität der Modellierung darstellen. Exemplarisch angewandt wird das Verfahren für die Identifikation eines künstlichen Testsystems sowie eines hydraulischen Proportionalventils und eines elastischen Roboterarms. Abstract Modeling and identification of dynamic systems are crucial in the fields of control engineering. This paper presents an approach for optimization of dynamic system models with variable structure using multi-objective evolutionary algorithms. The algorithm uses specific operators to simultaneously evolve the structure of a model and optimize its parameters. Based on input and output data of the real system the method aims at finding a set of optimal models that constitute a compromise between model quality and complexity. The method is exemplary applied to the identification of an artificial test system as well as of a hydraulic proportional valve and an elastic robot arm.

Model predictive trajectory set control for a proportional directional control valve

In practice, high quality control for mechatronic systems is often achieved by augmenting classical control architectures like PID controllers with numerous tailored nonlinear characteristic parameter curves and cascades. This complexity can be significantly reduced by utilizing advanced model predictive controllers (MPC). Furthermore, desired objectives like minimum control error and effort can be realized while explicitly adhering to state and control constraints. However, MPC is subject to iterative gradient-based online optimization algorithms which are computationally expensive. Hence, their application to mechatronic systems with fast dynamics is limited. It is worth mentioning that industrial systems often utilize low cost computational hardware. Accordingly, this contribution presents a model predictive trajectory set control (MPTSC) scheme that mimics a sub-optimal MPC by a rough discretization of the control input domain. A comparative analysis with a linear quadratic regulator demonstrates its ability to provide a sufficiently high control performance compared to the optimal reference. Furthermore, the approach is experimentally evaluated on a proportional directional control valve with a sample rate of 10 kHz. In addition to its efficiency the implementation of MPTSC is less complex and error-prone in comparison to MPC which is a reasonable advantage especially in industrial applications.

Adaptive sliding mode control of a pressure relief valve

In this contribution the control of a hydraulic pressure relief valve is discussed. Due to strong nonlinearities of the valve and the influence of a varying oil flow advanced control strategies are mandatory if advanced closed-loop performance is demanded. On the one hand, classical PI-like control structures can be applied to achieve the desired closed-loop performance. However, for this the controller has to utilize nonlinear gains for the P- and I-branch, which results in a large number of parameters to determine. In order to overcome this complexity a second order homogeneous control concept is proposed that achieves the desired control quality. Since modeling of the hydraulic valve is not intended and hence the system’s states cannot be recovered by using an observer-based approach the state recovery by differentiation of the measured system output is discussed. For this, differentiation techniques based on second-order sliding modes are briefly introduced. The performance of the presented control concept is evaluated on a typical pressure relief valve in terms of tracking of different pressure drop trajectories and disturbance rejection caused by a varying oil flow. The results show an improved control quality compared to classical approaches while the complexity of the utilized sliding mode controller is kept low.ZusammenfassungIn diesem Beitrag wird die Druckregelung eines Druckbegrenzungsventils präsentiert. Aufgrund der auftretenden Nichtlinearitäten des Systems und der variierenden Volumenströme des hydraulischen Mediums sind innovative Regelungsstrategien notwendig, um die geforderte Regelungsgüte zu erzielen. Hierzu können zum einen klassische PI-Regler eingesetzt werden, allerdings müssen derartige Regler um nichtlineare Kennlinien mit einer Vielzahl an verkoppelten Parametern je Zweig ergänzt werden, um die geforderte Güte zu bieten. Um die hohe Komplexität der Regler zu reduzieren, wird in dieser Arbeit ein Gleitzustandsregler zweiter Ordnung vorgestellt, der die geforderte Regelungsgüte erzielt und gleichzeitig eine geringe Anzahl an Parametern aufweist. Da die Modellierung des hydraulischen Ventils nicht beabsichtigt ist und somit die Zustände des Systems nicht messbar sind, wird zudem ein Ansatz zur robusten Schätzung von Ableitungen eines gemessenen Signals eingeführt. Die Leistung des vorgestellten Regelungskonzepts wird anhand typischer Betriebsszenarien eines hydraulischen Druckbegrenzungsventils untersucht. Hierzu wird sowohl das Führungsverhalten für eine Sequenz unterschiedlicher Drücke sowie das Störverhalten für variierende Volumenströme getestet. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich zu einem einfachen PI-Regler gleicher Komplexität eine verbesserte Regelungsgüte für den neuen Ansatz auf.