PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006005972A1 23.08.2007
Titel Verfahren zur Einregelung eines sich in einem Zyklus ändernden Systems auf ein nichtkonstantes zyklisches Sollprofil und Regler hierfür
Anmelder Otto Bock HealthCare IP GmbH & Co. KG, 37115 Duderstadt, DE
Erfinder Laatsch, Erik, 37077 Göttingen, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 08.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006005972
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse G05B 11/42(2006.01)A, F, I, 20060208, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61F 2/68(2006.01)A, L, I, 20060208, B, H, DE   
Zusammenfassung Zur Einregelung eines sich in einem Zyklus (9) ändernden Systems auf ein nichtkonstantes zyklisches Sollprofil (1, 6) durch Vergleichen von gemessenen Ist-Werten (E) mit entsprechenden Soll-Werten (R) des Sollprofils (1, 6) und Ausgabe eines Regelwerts (A) wird vorgesehen, dass das zyklische Sollprofil (1, 6) in eine vorgegebene Anzahl von Profilabschnitten (90, 91, 92...) unterteilt wird, dass für jeden Profilabschnitt (90, 91, 92...) ein Soll-Wert (R) des Sollprofils (1, 6) vorgegeben und ein aktueller Ist-Wert (E) bestimmt wird und dass für jeden Profilabschnitt (90, 91, 92...) mit einem eigenen Einzelregler (50, 51, 52...) die Regelung auf der Basis von Soll-Wert (R) und Ist-Wert (E) gesondert ausgeführt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einregelung eines sich in einem Zyklus ändernden Systems auf ein nichtkonstantes zyklisches Sollprofil durch Vergleichen von gemessenen Ist-Werten mit entsprechenden Soll-Werten des Sollprofils und Ausgabe eines Regelwerts.

Die Erfindung betrifft ferner einen Regler für ein sich in einem Zyklus änderndes System zur Einregelung auf ein nichtkonstantes Sollprofil.

In einfachen Anwendungsformen regeln Standardregler ein System auf einen konstanten Vorgabewert ein. Sollen sich die Vorgabewerte jedoch zyklisch ändern, also ein Vorgabeprofil abgefahren werden, muss der Regler entsprechend auf Folgung eingestellt sein. Der Aufwand hierfür ist hoch, da für unterschiedliche Kurvenformen unterschiedliche Einstellungen erforderlich sind. Ferner ist problematisch, dass der dem Vorgabeprofil folgende Rechner bezüglich seiner Regelparameter dann nicht optimal einzustellen ist, wenn unterschiedliche Frequenzanteile für die Abweichungen der Ist-Kurve von dem Soll-Profil entstehen.

Wenn ein Soll-Profil zyklisch am Regler-Solleingang vorgegeben wird, und das System über den Vorgabe-Zyklus für jeden Vorgabepunkt zu dem jeweiligen Zeitpunkt des Zyklus eine andere Antwort gibt, entsteht ein nichtlineares System, das mit einem Standardregler, beispielsweise PID-Regler, nicht mehr realisiert werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn das zu regelnde System zu jedem Profilpunkt eine spezielle Sprungantwort produziert, also über den Profilverlauf für jeden Punkt eine andere Charakteristik aufweist.

Die Verwendung von beispielsweise Standard-PID-Reglern wäre jedoch wünschenswert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regelung über ein nicht konstantes zyklisches Sollprofil unter Verwendung von herkömmlichen Standard-Reglern zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das zyklische Sollprofil in eine vorgegebene Anzahl von Profilabschnitten unterteilt wird, dass für jeden Profilabschnitt ein Soll-Wert des Sollprofils vorgegeben und ein aktueller Ist-Wert bestimmt wird und dass für jeden Profilabschnitt mit einem eigenen Regler die Regelung auf der Basis von Soll-Wert und Ist-Wert gesondert ausgeführt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ferner erfindungsgemäß mit einem Regler der eingangs erwähnten Art, der gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von digitalen Einzelreglern, durch eine Steuerschaltung, die den Zyklus in der Anzahl der Einzelregler entsprechende Abschnitte unterteilt und jedem Einzelregler einen vorgegebenen Soll-Wert und einen gemessenen Ist-Wert zuordnet, und durch eine Ausgabeanordnung für die von den Einzelreglern generierten Reglerwerte.

Erfindungsgemäß sind somit zahlreiche digitale Einzelregler vorgesehen, die jeweils einem Zeitabschnitt innerhalb des Zyklus zugeordnet sind und für diesen Zeitabschnitt eine herkömmliche Regelung, beispielsweise eine PID-Regelung ausführen. Durch die Vielzahl der parallel zueinander arbeitenden Regler ist es möglich, jedem Einzelregler die für ihn gültigen Parameter des Systems als Regelparameter zuzuordnen. Dieser Wert ist konstant, weil durch den erfindungsgemäßen Regler das Soll-Profil durch eine Vielzahl von Profilpunkten angenähert wird und jeder Profilpunkt einen konstanten Soll-Wert darstellt, für den konstante Systembedingungen gelten, sodass auch die Parametrisierung für diesen Profilpunkt festliegt, solange sich das System nicht ändert.

Die Reglerwerte werden vorzugsweise als Regelprofil am Ende eines Zyklus von Soll-Profil und Ist.Profil ausgegeben.

Die beigefügte Zeichnung dient zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 – eine schematische Darstellung einer Regleranordnung mit einem nichtkonstanten Soll-Profil und einem nichtlinearen geregelten System

2 – eine schematische Darstellung der Erfindung mit einer Vielzahl von für jeweils einen Profilabschnitt zuständigen Einzelreglern.

Das in 1 dargestellte Regelsystem geht aus von einem vorgegebenen Soll-Profil 1, das beispielsweise die Kraftausübung auf einen künstlichen Fuß während eines Abrollvorganges darstellt. Das Soll-Profil wird in einem Vergleicher 2 mit einem Antwortprofil 3 eines geregelten, nicht linearen Systems 4 verglichen. Das Ergebnis des Vergleichers gelangt auf Regler 5, der als PID-Regler ausgebildet ist.

Das Antwortprofil (Ist-Profil) 3 kann eine starke Verzerrung gegenüber dem Soll-Profil 1 aufweisen. Da sich über die Zeit wegen des vorgegebenen Soll-Profils 1 die Bedingungen für das System 4 ständig ändern, besteht ein für einen herkömmlichen PID-Regler nicht lösbares Regelproblem.

Erfindungsgemäß ist der PID-Regler 5 in eine Vielzahl von parallel geschalteten Einzelreglern 50, 51, 52 ... aufgeteilt, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist.

2 zeigt in einfacher Form eine Sollkurve (Soll-Profil 6) und eine Istkurve 7. Aufgrund der Differenzbildung zwischen dem jeweiligen Soll-Wert und dem jeweiligen Ist-Wert im Vergleicher 2 generiert der Regler 5, beispielsweise als einfacher Proportional-Regler, an seinem Ausgang ein Reglerprofil 8, durch das die Ist-Kurve 7 der Soll-Kurve 6 angenähert ist.

Dargestellt ist ein Zyklus 9 für die Kräfte, die beim Abrollvorgang eines künstlichen Fußes beim Gehen auftreten.

Die Periode 9 ist in zahlreiche gleiche Zeitabschnitte 90, 91, 92 ... aufgeteilt, denen jeweils ein PID-Einzelregler 50, 51, 52 ... zugeordnet ist. Die Einzelregler 50, 51, 52 erhalten aus dem Soll-Profil 6 den für den zugehörigen Zeitabschnitt 90, 91, 92 ... zugehörigen Soll-Wert R (Referenz) sowie einen Ist-Wert E (Eingang), woraus sich ein vom Einzelregler 50, 51, 52 ... zu verarbeitender Differenzwert ergibt, aus dem ein durch den Einzelregler 50, 51, 52 ... ein Reglersignal A (Ausgang) generiert wird.

Die Einzelregler 50, 51, 52, ... sind mit ihren üblichen Regelparametern Kp für den P-Anteil, Ti für den I-Anteil und Td für den D-Anteil so eingestellt, dass sie an die Antwort des nicht linearen Systems in dem Zustand im zugehörigen Zeitintervall 90, 91, 92 ... angepasst sind.

2 lässt erkennen, dass der Zyklus 9 in n + 1 Zeitintervalle 90, 91, 92 ... unterteilt ist und daher n + 1 Einzelregler 50, 51, 52 ... aufweist.

Der erfindungsgemäße Regler 5 kann Systeme ausregeln, die zu unterschiedlichen Zeiten innerhalb des Zyklus unterschiedliche Sprungantworten haben.

Hierzu kann für jeden Kurvenpunkt eine andere Parametrisierung (Kp, Ti, Td) ausgebildet werden.

Die Berechnung der Ausgabewerte erfolgt vorzugsweise nach Beendigung eines kompletten Zyklus 9.

Für die Ausbildung einer Regelung für die Belastung eines künstlichen Fußes während eines Rollvorganges werden die neuen Ausgabewerte berechnet und daraus das neue Ausgabeprofil ausgegeben. Das Ausgabeprofil kann sich deutlich vom Soll- oder Ist-Profil unterschieden. Durch die erneute Belastung des Systems durch das neue Ausgabeprofil entsteht ein neues Ist-Profil, das als Eingangsgröße für den Regler benutzt wird, während das Soll-Profil konstant bleibt.

Voraussetzung für die Funktion des Reglers ist, dass das System an der Stelle (auch zu dem Zeitpunkt) im Profil antwortet, an der auch eine Änderung durch den Regler erwartet wird. Sollten im System Phasenverschiebungen auftreten, muss die Phasenverschiebung eliminiert werden. In dem oben erwähnten Prüfsystem kann dies durch eine simple Voreilung des Ausgabeprofils erreicht werden.

Für eine möglichst hohe Genauigkeit sollte eine möglichst hohe Anzahl von Einzelreglern 50, 51, 52 ... für die Unterteilung des Zyklus 9 vorgesehen werden. Die tatsächlich realisierte Anzahl häng jedoch von der Implementation des Reglers und dem verfügbaren Speicher sowie von der Rechenleistung der digitalen Schaltung ab.


Anspruch[de]
Verfahren zur Einregelung eines sich in einem Zyklus (9) ändernden Systems auf ein nichtkonstantes zyklisches Sollprofil (1, 6) durch Vergleichen von gemessenen Ist-Werten (E) mit entsprechenden Soll-Werten (R) des Sollprofils (1, 6) und Ausgabe eines Regelwerts (A), dadurch gekennzeichnet, dass zyklische Sollprofil (1, 6) in eine vorgegebene Anzahl von Profilabschnitten (90, 91, 92 ...) unterteilt wird, das für jeden Profilabschnitt (90, 91, 92 ...) ein Soll-Wert (R) des Sollprofils (1, 6) vorgegeben und ein aktueller Ist-Wert (E) bestimmt wird und dass für jeden Profilabschnitt (90, 91, 92 ...) mit einem eigenen Einzelregler (50, 51, 52 ...) die Regelung auf der Basis von Soll-Wert (R) und Ist-Wert (E) gesondert ausgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzelregler (50, 51, 52 ...) mit einer eigenen Parametrisierung (Kp, Ti, Td) der Regelfaktoren (P,I,D) versehen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerwerte (A) als Regelprofil (8) am Ende eines Zyklus (9) ausgegeben werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von PID-Regelungen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von digitalen Einzelreglern (50, 51, 52 ...) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung zur Steuerung der Belastung einer Prothese durch eine Prüfmaschine verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung zur Steuerung der Belastung eines künstlichen Fußes verwendet wird. Regler für ein sich in einem Zyklus (9) änderndes System zur Einregelung auf ein nichtkonstantes Sollprofil (1, 6), gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Einzelreglern (50, 51, 52 ...), durch eine Steuerschaltung, die für den Zyklus (9) in der Anzahl der Einzelregler (50, 51, 52 ...) entsprechende Abschnitte (90, 91, 92 ...) unterteilt und jedem Einzelregler (50, 51, 52 ...) einen vorgegebenen Soll-Wert (R) und einen gemessenen Ist-Wert (E) zuordnet, und durch eine Ausgabeanordnung für die von Einzelreglern generierten Reglerwerte (A). Regler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeanordnung zur Ausgabe eines aus den Reglerwerten (A) am Ende eines Zyklus (9) gebildeten Ausgabeprofils (8) eingerichtet ist. Regler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelregler (50, 51, 52 ...) einzeln mit Regelparametern (Kp, Ti, Td) parametrisierbar sind. Regler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelregler (50, 51, 52 ...) digitale Regler sind. Regler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelregler (50, 51, 52 ...) PID-Regler sind. Regler nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgegebenen Reglerwerte (A) einer Steuereinrichtung zur Belastung einer Prothese durch eine Prüfmaschine zuführbar sind. Regler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfmaschine für die Belastungen eines künstlichen Fußes ausgebildet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com