25.1 : Controller-Konfigurationen

Die Konfiguration der Regler ist im Tempomatsystem eines Autos von entscheidender Bedeutung, da sie die Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum hinweg regeln, um unabhängig von den Straßenbedingungen ein konstantes Tempo beizubehalten und so die Designziele zu erreichen. Bei herkömmlichen Steuerungssystemen beinhaltet das Design mit fester Konfiguration eine vorgegebene Platzierung der Regler. Leistungsänderungen des Systems werden als Kompensation bezeichnet.

Die Kompensation von Regelsystemen umfasst verschiedene Konfigurationen, am häufigsten die Reihen- oder Kaskadenregelung, bei der sich der Regler an den Prozess anpasst. Bei der Reihenregelung wird der Regler in Reihe mit der Anlage geschaltet und ändert die Dynamik des Systems, um bestimmte Leistungskriterien zu erfüllen. Bei der Rückkopplungsregelung hingegen wird der Regler in den Nebenrückkopplungspfad geschaltet. Diese Methode ermöglicht eine Feinabstimmung des Systemverhaltens, ohne die primäre Rückkopplungsschleife direkt zu beeinflussen.

Bei der Eigenwertvorgabe werden die Zustandsvariablen durch konstante reale Verstärkungen zurückgekoppelt, um das Steuersignal zu erzeugen. Diese Methode eignet sich gut für die Entwicklung von Steuersystemen mit spezifischen Leistungsanforderungen. Für Systeme höherer Ordnung kann sie jedoch kostspielig oder unpraktisch sein, da Zustandsvariablen gemessen oder geschätzt werden müssen. Die Eigenwertvorgabe zielt darauf ab, die Pole des geschlossenen Regelkreises an gewünschten Stellen zu platzieren, um eine verbesserte Leistung im Übergangs- und Dauerzustand zu erreichen.

Andere Konfigurationen umfassen die Reihen-Feedback-Kompensation, die einen Reihen- und einen Feedback-Controller kombiniert, um die Vorteile beider zu nutzen. Die Vorsteuerung platziert den Controller der Vorsteuerung in Reihe mit dem geschlossenen Regelkreis und steuert den Referenzeingang direkt an, um die Leistung zu verbessern.

Zusätzlich zu den oben genannten Konfigurationen wirken sich die Freiheitsgrade in Controllerkonfigurationen erheblich auf die Systemleistung aus. Konfigurationen mit Reihen-, Rückkopplungs- und Eigenwertvorgabe mit einem Freiheitsgrad (1DOF) sind bei der Erfüllung bestimmter Leistungskriterien mit Einschränkungen behaftet. Diese Konfigurationen können eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Parameterschwankungen oder ein übermäßiges Überschwingen in der Sprungantwort aufweisen. Im Gegensatz dazu bieten Konfigurationen mit zwei Freiheitsgraden (2DOF) eine größere Flexibilität beim Erreichen der gewünschten Leistungskriterien. Ein 2DOF-System ermöglicht die unabhängige Abstimmung der Rückkopplungs- und Referenzverfolgungspfade und bietet so eine bessere Kontrolle über die Systemdynamik und Robustheit gegenüber Parameterschwankungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 1DOF-Konfigurationen zwar einfacher und leichter zu implementieren sind, aber möglicherweise nicht immer die strengen Leistungsanforderungen moderner Steuerungssysteme erfüllen. Die Flexibilität von 2DOF-Konfigurationen macht sie zu einem wertvollen Werkzeug bei der Entwicklung fortschrittlicher Steuerungssysteme, insbesondere bei Anwendungen wie der Geschwindigkeitsregelung von Autos, bei denen präzise Leistung und Robustheit von entscheidender Bedeutung sind.