Karl Heinz Fasol

Special section system identification tutorial: Principles of model building and identification

This paper presents a basic introduction to model building and identification. Both fundamentals of mathematical description of dynamic systems and the principles of theoretical modelling are emphasized. When familiar with these ideas, the newcomer will understand identification better. Later on in this paper, only a classification of identification methods is given. The other tutorials in this volume will then deal with the methods themselves.

Simulation, controller design and field tests for a hydropower plant—a case study

Abstract A simulation study is described which was carried out in the stage of design and assembly of a new hydropower plant. A reliable high-order mathematical model was elaborated to simulate all possible modes of operation. From simulation of this model, low-order operation point-dependent linear models were developed. This was done by means of a recently proposed approach to model-order reduction based on frequency response tables. These low-order models were used to design • —parameter-adaptive PID- and PI-controllers; • —a third-order robust control algorithm; • —a fifth-order dead beat control algorithm. These controllers were tested in the course of the simulation study. When commissioning the real plant, the digital turbine governors were, in succession, programmed with the above algorithms. In the field tests, essentially the same identification and model-order reduction procedure was applied as was done in the simulation. Thus, the simulation model could be well verified. The designed algorithms were compared, controlling the real plant in good agreement with the simulation results.

A short history of hydropower control

Todays control systems have their roots, to a great extent, in the speed control of driving engines (prime movers) and particularly in the speed control of water turbines. The first turbines with automatic speed control appeared sometime in the mid-19th century. I discuss the history of water-turbine control systems, noting the older inventions and techniques that made possible the very first attempts to control the speed of hydraulic machinery and recognizing the key engineers and scientists who contributed to the further development.

Hermann Schmidt: pioneer in control and cybernetics

Hermann Schmidt (1894-1968) is recognized as a pioneer in control and cybernetics in Germany. His distinctions include the fact that for many years he was the only German professor of control engineering. In 1939, he founded the renowned control group of the VDI (Verein Deutscher Ingenieure, the German association of engineers) known as the Fachgruppe Regelungstechnik. This article reviews his career, his technical and philosophical interests, and his contributions to the development of control engineering in Germany.

Hierarchical control of multi-quality water distribution systems

Abstract More poor-quality water will have to be utilized in order to satisfy the increasing demand for irrigation water. This can be done if it is sufficiently diluted with fresh water. The dilution process takes place within the water distribution networks, which therefore become multi-quality networks, with simultaneous control of water quantity and quality. This brings up numerous new problems which can be solved by a special hierarchical control method with two control levels. The upper level transfers the consumer demands into setpoints for water flow and quality in the network. An optimization alogrithm was developed for this upper level, which computes these setpoints so as to minimize total operational costs. The lower level attempts to achieve these setpoints using digital and analog feedback controllers. A digital simulation model of a typical case study offers the possibility to check the control algorithm very accurately. Some simulation results are presented, and recommendations for designing such multi-quality networks are made.

Germany [control education]

Features of control education in Germany are presented. The curricula of engineering education are strictly regulated by guidelines which, for example, prescribe compulsory courses of informatics, measurement techniques, fundamentals of control theory, and others, for most engineering studies. Many departments provide the possibility to specialize in control engineering and automation. However, essential fields of engineering may not be disregarded. There is no equivalent of the bachelors degree, but all students graduate as Diplomingenieur, corresponding to the masters degree. About 20% of graduate control engineers stay with the university to write a doctoral thesis. Contrary to other countries, they are not called Ph.D. students but are full scientific staff members. Research, intensive academia-industry relations, and student exchange programs are important contributions to education.

Minimieren von Schaltfunktionen

Wird eine Schaltung als VPS aus einzelnen Gattern realisiert, dann wird man bestrebt sein, die Schaltfunktion durch Umformen nach den Regeln der Schaltalgebra auf eine aquivalente Form mit so wenigen Verknupfungen wie moglich zu bringen, um Schaltelemente einzusparen. Es gibt immer eine solche Form, welche die gegebene Funktion mit einem Minimum an Verknupfungen realisiert. Diese Form zu finden ist die Aufgabe der Minimierung. Im Zeitalter der Mikro-Miniaturisierung elektronischer Schaltungen (ICs) bzw. bei Ausfuhrung einer Steuerung als SPS hat die Schaltungsminimierung nicht mehr jene gravierende Bedeutung wie fruher, als die Steuerungen vorwiegend mit elektromechanischen Relais, mit pneumatischen Logikelementen oder Wegeventilen oder anderen teuren und viel Platz in Anspruch nehmenden Schaltelementen ausgefuhrt wurden, die mit ihrer zunehmenden Anzahl auch die Ausfallwahrscheinlichkeit erhohten. In Lehrbuchern war daher fruher einer groseren Anzahl von graphischen und rechnerischen Minimierungsmethoden stets breiter Raum gewidmet. “Klassiker” unter diesen Verfahren sind das Minimieren im K-Diagramm (Karnaugh, 1953) und die rechnerischen Methoden von Quine (1955) und McCluskey (1956). Wie gesagt, haben die Minimierungsmethoden bei weitem nicht mehr die Bedeutung wie zur Zeit dieser Autoren, jedoch ist die Schaltungsminimierung z.B. mittels K-Diagramm aus den Grundzugen der Steuerungstechnik auch heute nicht wegzudenken. Auch bei Realisierung einer Schaltung mit integrierten Bauelementen wird man nicht unnotigen Aufwand treiben und bei Programmierung in einer SPS sollte der Programmumfang moglichst kurz sein. Daher mus das Minimierungsproblem in diesem Abschnitt doch kurz behandelt werden.

Darstellung von Schaltfunktionen

Im Kapitel 2 wurden bereits drei verschiedene Moglichkeiten zur Darstellung von Schaltfunktionen verwendet: Die Darstellung durch boolesche bzw. schaltalgebraische Gleichungen, durch den Schaltplan oder Logikplan unter Verwendung von Schaltzeichen, die nach Bild 2.3 die Gatter symbolisieren und schlieslich die Funktionstabelle. Mit den Gleichungen kann algebraisch gerechnet werden, wogegen der Logikplan eher die hardwaremasige Struktur der Funktionsrealisierung darstellt. Wie spater im Kapitel 4 deutlich wird, gibt es fur ein und dieselbe kombinatorische Funktion eine gewisse Anzahl von mehr oder weniger vereinfachten Darstellungsformen mittels Gleichungen oder Logikplan. Dies hangt davon ab, ob eine Funktionsdarstellung aus der Mintermform oder aus der Maxtermform des Fundamentalsatzes unter ein- oder mehrfacher Anwendung der Kurzungsregel Gl.(2.35) hervorgegangen ist. Hingegen gibt es fur jede Funktion nur eine einzige Funktionstabelle, in der nach steigendem Dezimalaquivalent j die Eingangsbelegungen bzw. Minterme und die von diesen implizierten Funktionswerte aufgelistet sind.

Das Entwurfsverfahren von Huffman

Es ware zu erwarten, das sich dem vorherigen Kapitel uber Zwangsfolgesteuerungen jetzt ein Kapitel anschliest, dessen Uberschrift auf den ausschlieslichen Entwurf von Freifolgesteuerungen hinweist. Im wesentlichen wird in diesem Kapitel auch der Entwurf dieser Steuerungsart besprochen, denn das jetzt im Mittelpunkt stehende Verfahren wurde von D.A.Huffman zunachst nur fur asynchrone verbindungsprogrammierte Freifolgesteuerungen entworfen, wobei die Verwendung von Relais im Vordergrund stand. Es kann das Huffmansche Verfahren aber auch zum Entwurf von Zwangsfolgesteuerungen angewandt werden und es kann, in einer stark vereinfachten Form, auch zum Entwurf beider Steuerungsarten herangezogen werden, wenn diese mittels SPS realisiert werden. All dies wird in diesem Kapitel besprochen; der Schwerpunkt wird aber im Entwurf der Freifolgesteuerungen liegen.

Grundzüge der Schaltalgebra

Die in DIN 19237 festgelegte Definition einer binaren Steuerung wurde bereits im einfuhrenden Abschnitt wiedergegeben; hier soll nun etwas weiter ins Detail gegangen werden. Die in einer Steuerung notwendige Informationsubertragung von und zum Prozes (Steuerstrecke) erfolgt durch Signale, die von physikalischen Grosen, z.B. elektrischen Spannungen, als Signaltrager ubertragen werden. Die diskreten Werte, die der Signaltrager annehmen kann, bilden seinen Wertevorrat. Bei binaren Steuerungen besteht der Wertevorrat nur aus zwei Werten und die Signale reprasentieren demnach zweiwertige Variable, die vorwiegend als binare Variable oder auch als boolesche Variable bezeichnet werden. Dem Paar von binaren Zustanden des Signaltragers werden die Symbole “ σ = 0” und “ σ = 1” zugewiesen. Dies ist willkurlich und steht grundsatzlich in keinem Zusammenhang mit dem absoluten Wert der betreffenden Variablen. Meist soll aber σ = 0 ein geringeres Energiepotential andeuten als σ = 1. In der Pneumatik etwa bedeutet σ = 0 immer drucklos und σ = 1 bedeutet Druck vorhanden. Der Index σ = {0,1} wird Belegungsindex, Wert oder Belegung der betreffenden binaren Variablen genannt. Unabhangige Variable (Eingangsvariable, Eingange) werden mit x1, x2, x3,…, abhangige Variable (Ausgange) mit z1, z2,… oder y1, y2,… bezeichnet. Ist z.B. eine Variable x1 mit σ1 = 0 und eine Variable x2 mit σ 2 = 1 “belegt”, dann wird dies vereinfacht durch x1 = 0, x2 = 1 oder meist noch weiter vereinfacht durch die Binarzahl 01 ausgedruckt (siehe Abschnitt 2.2.3).