Stability region based robust controller synthesis

Schrödel, Frank; Leonhardt, Steffen; Abel, Dirk

doi:HT019044370

Stability region based robust controller synthesis = Robuste Reglersynthese auf Grundlage von stabilisierenden Parameterräumen

Schrödel, Frank

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Schrödel

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online Ressource (XX, 264 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor) ; Leonhardt, Steffen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-048051
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/659613/files/659613.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Regelungstechnik (frei) ; Stabilitätsanalyse (frei) ; Robuste Regelung (frei) ; Totzeitsysteme (frei) ; Reglertuning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung von robusten Reglerauslegungsverfahren. Die dafür entwickelte Methodik basiert auf der Berechnung der Menge der stabilisierenden Regler- und Systemparameter. Neben einer umfassenden Darstellung des aktuellen Stands der Technik im Bereich der Parameterraumberechnungsverfahren werden in der Arbeit vielfältige Erweiterungen der bestehenden Berechnungsansätze vorgestellt. Über dies hinaus wird eine grundlegend neue und sehr generalistische Berechnungsmethodik vorgestellt, welche auf der Lyapunov-Stabilität basiert. Die in der Arbeit beschriebenen Berechnungsverfahren lassen sich für lineare Systemklassen (wie kontinuuierliche und zeitdiskrete System) sowie auch für nichtlineare Systeme, die sich mittels der Harmonischen Balance oder Lyapunov-Funktion analysieren lassen (wie schaltende Systeme), anwenden.Die stabilisierenden Parameterräume können nicht nur für nominelle Systeme, sondern auch direkt unter Berücksichtigung von Parameterunsicherheiten berechnet werden. Dies ermöglicht eine weniger konservative robuste Reglersynthese als sie mit den meisten aktuell verfügbaren Methoden erreicht werden kann. Hierfür gibt die vorliegende Arbeit einen tiefgehenden Überblick über die verfügbaren Wekzeuge zur robusten Regleranalyse (wie Kharitonov-Polynome). Zudem werden diese Ansätze erweitert, dass sie mit den zuvor entwickelten Parameterraumberechnungsmethoden zu einem neuartigen robusten Reglersyntheseverfahren verwendet werden können.Aufbauend auf der Berechnung der Parameterräume werden vielfältige Ansätze für optimale Reglereinstellungen präsentiert. Hierbei werden sowohl unterstützende Methoden für die assistierte Reglereinstellung (wie Performanz-Karten), als auch vollautomatische Reglereinstellungsmethoden vorgestellt. All die betrachteten Methoden nutzen explizit die zuvor berechneten Parameterräume, um eine effiziente Reglereinstellung zu gewähren.Abschließend werden die entwickelten Methoden an verschieden praktischen Beispielprozessen präsentiert, um ihre Anwendbarkeit zu demonstrieren und um einem Eindruck zu vermitteln, für welche Problemklassen die entwickelten Methoden einen Mehrwert bieten. Hierbei werden neben klassischen Prozessen mit einfachen Parameterunsicherheiten unter anderen auch vernetzte Systeme mit unsicheren Abtastzeiten sowie Totzeiten betrachtet.

The present work focuses on research regarding the robust controller synthesis. The method which is developed and applied in this work is based on stability region calculations for system as well as for controller parameters.This work starts with a detailed presentation viewing different approaches of the state of the art robust controller design. Following that, various expansions of these approaches are explained and in particular, a very generalcalculation method is developed based on the Lyapunov stability. The considered approaches are applicable for linear system classes (like continuous and discrete systems) as well as for nonlinear system classes which can beanalyzed by using the harmonic balance approach or simple Lyapunov functions (e.g. switching systems).The stabilizing parameter space can be calculated for a nominal system without uncertainties, while the stabilizing parameter space can be calculated under explicit consideration of parameter uncertainties. The present workoffers a detailed overview of the available tools for the robust controller analysis (like Kharitonov polynomials). Thereafter, these tools are extended in such a way that they can be combined with the parameter space approachand a robust controller synthesis approach. Consequently, a less conservative robust controller synthesis is possible.Based on the stability region calculation, several approaches for the optimal tuning of controller parameters are demonstrated. Therefore, approaches for assisted controller tuning (like performance maps) and full automatic controller tuning approaches are introduced and explained in detail. The considered approaches are explicitly using the previously calculated stability regions in order to establish a highly sophisticated and efficient controller tuning approach. Finally, the developed methods for some practical application examples are applied. It is the goal of these examples to show the usability of the developed methods and to give an idea which problem classes can be handled by using the newly established methods. Therefore, classical control engineering problems with simple parameter uncertainties are used. In Addition, more advanced problems like network systems with uncertain sampling times as well as time delays are presented.

OpenAccess:
PDF
(additional files)