Verständnisprobleme mit Regler und Kaskadenregler

[Janvi]

Vielleicht habe ich das Problem nicht genau genug beschrieben. Während der Formulierung scheint mir das aber auch klarer zu werden. Die Fahrsteuerung funktioniert soweit auch ohne Positionsregler als reine Steuerung. Anstelle einer Fahrpositionierung möchte ich den Akku steuern. Der Motor dient hierzu einfach als steuerbare Last. Er fährt nicht von Position A nach B sondern eben nur soviel wie Energie zur Verfügung steht. Momentan funktioniert das so, daß er erst losfährt wenn die Batterie voll ist. 100% volle Batterie sind schlecht für deren Lebensdauer. Ausserdem geht Energie verloren, wenn die Solarzelle mehr liefert wie der Motor verbraucht weil sie nicht mehr zwischengespeichert werden kann. Vergleiche auch Marsroboter Spirit/Curiosity o.ä. Die bekommen Marstäglich eine unbekannte Menge Energie in einen Akku fester Größe geliefert. Damit sollen sie eine maximale Fahrstrecke bewältigen, möglichst viele Versuche mit ihren Sensoren machen. Beim Losfahren ist aber meist noch gar nicht klar was und wohin. Irgendwann geht der Akku zu 'Ende weil die Sonne nichts mehr liefert. Es ist jetzt Aufgabe des Reglers dem Motor zu sagen, daß er seine Leistungsaufnahme drosseln soll.Vielleicht nur noch aus einem Loch rausfahren so daß die Position am nächsten Sonnenaufgang ideal ist um frühzeitig mit der Akkuladung zu starten. Insgesamt muß aber ein gutes Sicherheitspolster im Akku verbleiben, so daß der Funkverkehr auch bei Nachtfrost niemals ausfallen wird. Deshalb wird beim Sonnenaufgang mit einer absichtlich pessimistischen Prognose noch immer etwas Akkuladung vorhanden sein. Mit dieser kann man dann frühzeitig losfahren um den Akku auf minimalen Ladezustand zu entleeren. Möglichst kurz bevor er während des anstehenden Tags sowieso wieder geladen werden wird und dabei eine maximale Energiemenge aufnehmen muß.

Also: Der Encoder liefert bei einer Fahrpositions Kaskade das Geschwindigkeitssignal in den inneren Regler und aufsummiert das Positionssignal in den äusseren Positionsregler.
Jetzt: Der Strom-Shunt des Akkus liefert dem inneren schnellen Stromregler ein Stromsignal. Der Coulomb Zähler im Batterie Monitor IC summiert die Ampereskunden auf, was den Istwert-Ladezustand SOC für einen äusseren langsamen Regelkreis gibt.

Der innere Regelkreis beeinflusst den Istwert des äusseren Regelkreises indirekt, weil ja bekannt ist, daß der Akku Ladezustand bei Entladestrom irgendwann kleiner wird und bei Ladestrom irgendwann größer wird. Der schnelle innere Stromregler kann aber längst reagieren, bevor der Akku einen geänderten Ladezustand viel zu spät zurückmeldet. Nähert sich der Akku Ladezstand seinem Ende, so gibt der übergeordnete langsame äussere SOC Regler einen niedrigeren Strom für den inneren Stromregler vor. Der Roboter kann solange noch mit einer verringerten Motorleistung langsam irgendwo hinfahren. Bei hohem SOC kann er umgekehrt maximale Geschwindigkeiten und Beschleunigungen fahren, weil der Strom sonst wegen zu vollem Akku sowieso verloren gehen würde.

Die Anfahrströme sollten im Sekundenbereich kein Problem sein. Die liefert der Akku problemlos wozu ich auch nur max 0,3-0,4C veranschlage. Eher zu hohe Dauerströme denn er soll wenigstens einen Tag autark fahren können. Das geht nur <<0,1C. Verringert man die Stromentnahme gegen Entladeende, geht die Spannung wegen der Entlastung mitunter wieder etwas nach oben ohne daß der Coulomb Zähler den Ladezustand deshalb korrigiert. Man sollte sich also nicht mit maximaler Last an das Entladeende rantasten um etwas mehr aus dem Akku rausholen zu können (Peukert-Exponent) Es ist also eher eine Leistungsbetrachtung als reiner Strom. Die Akkuspannung ist nahezu konstant. Die Motorspannung nicht. D.h. der Motor kann auch mit kleiner Geschwindigkeit, kleiner Spannung aber hohem Strom einen hohen Drehmoment bringen aber eben nur bei langsamer Geschwindigkeit. Aber ich werde das alles selbst ausprobieren müssen.

[oberallgeier]

Grüß Dich Janvi.

Vielleicht habe ich das Problem nicht genau genug beschrieben ...

Ohh, das ist schon sehr ausführlich, mir brummt grad der Schädel.

Ich hatte vor längerer Zeit etliches über Regelung meiner zweirädrigen Coladose geschrieben, jedes Rad mit separatem Antrieb, Encoder und Regelungsroutine. Ich glaube das ist, im Prinzip, auch Deine Aufgabe. Mein Ziel war dabei, die beiden >unabhängig voneinander angetriebenen und geregelten< Motore so zu regeln, dass eine halbwegs saubere Geradeausfahrt über ne halbwegs überschaubare Strecke möglich wird.

Einer meiner ersten Beiträge zur Regelung hier (klick), mehr dazu im Laufe dieses Threads.

Im Thread "Autonom in kleinen Dosen: R2_D03 + Nachfolger R3D01" hatte ich zu MEINEM Vorgehen/Arbeiten bei der Regelung meiner zwei Dosenantriebe mehr geschrieben, etwa ab hier (klick wieder).

Zum Regelungsproblem eines Kollegen im Forum hatte ich den darauf hingewiesen, erstmal eine Skizze zu machen (klick), darin der Hinweis auf den verlinkten Threadabschnitt und die Fachkunde "Regelungstechnik" (klick wieder) im Forum.

Vielleicht hilft Dir das etwas weiter?

Viel Erfolg.

[Janvi]

Stürze mich gerade mal auf den inneren schnellen Regler für den Batteriestrom. Gedanklich möchte ich dabei mit den Leistungen in Watt arbeiten. Den Motor sehe ich mal als gegebene steuerbare Last an wo es ausser einer Leistungsvorgabe nichts zu tun gibt.

Sollwert Vorgabe: Batterie Lade/Entladeleistung in Watt
Istwert Rückkopplung: Batterie Lade/Entladeleistung in Watt
Stellwert: Verbraucher (Motor, Andere) in Watt
Störgröße: PV Erzeugung

Sollwert: Batterie mit 100 Watt entladen
Istwert: - 100 Watt an Batterie wenn PV Erzeugung = 0W (nachts)
Stellwert: 100 Watt für den Motor zum Fahren

7 Uhr Sonnenaufgang. Es werden 100 Watt PV Leistung erzeugt

Sollwert: Batterie mit 100 Watt entladen
Istwert: -100 Watt an Batterie
Stellwert: 200 Watt für den Motor zum Fahren, 100W aus Batterie + 100W aus PV

12 Uhr Es werden 400 Watt PV Leistung erzeugt

Sollwert: Batterie mit 100 Watt entladen
Stellwert: Wäre jetzt eigentlich 100W aus Batterie + 400 Watt PV = 500W
Der Motor kann aber nur maximal 330 Watt.
Die Batterie wird deshalb mit 170 Watt aufgeladen
Istwert: +170 Watt an Batterie wenn PV Erzeugung = 400W
deshalb ist der Regler in der Sättigung

Bin momentan noch nicht in der Lage ein Diagramm zu zeichnen weil mich die Störgröße verwirrt.
Hat dies überhaupt etwas mit dem Regler zu tun oder ist es gar keine Störgröße?

[Holomino]

So richtig raffen tue ich's immer noch nicht.

Zum Zeitpunkt X kannst Du doch nur sagen: Es sind noch t Stunden bis zum Sonnenuntergang und da soll die Nachtreserve von n% SOC übrig geblieben sein. Alles, was bis dahin passiert mit Sonneneinstrahlung und PV ist ohne Vorhersage auch nicht vorhersehbar.
Also teilt man sich einfach die Restkapazität über die verbleibende Zeit bis zum Sonnenuntergang ein?! Wenn dann im nächsten Regelzyklus Ladestrom=Laststrom war, wird zwar der SOC nicht höher, aber die Zeit t wird kleiner, d.h. man kann die Last steigern.

[Janvi]

Der Nachtbetrieb ist nicht das Problem. Wie du sagst, wird die Kapazität einfach auf die Stunden verteilt. Der Regler kann dazu abgeschaltet bleiben weil es nichts zu regeln gibt. Die Fahrleistung ist konstant, die PV Produktion Null und damit irrelevant. Tagsüber wenn die Produktion höher als der maximal mögliche Verbrauch ist, kann man auch nichts falsch machen. Der Regler ist praktisch dadurch abgeschaltet daß er an den Anschlag geht. Überschüssige Energie wird im Akku eingespeichert.

Sehe den Motor als Senke für die Leistung. Es wird immer das verbraucht was der innere schnelle Regler angibt. Aber beim Regeln der Leistung gäbe es jetzt bereits zwei Versionen. Nur Nr. 2 ist richtig.

Version 1:
Die von der Stromversorgung bereitgestellte Leistung ist konstant. Die variable PV Erzeugung geht in den Akku. Stellgröße ist die bereitgestellte Leistung zum Fahren. Was ist der Sollwert, was der rückgekoppelte Istwert?

Version 2:
Die Akkuleistung wird konstant ausgeregelt. Die von der variablen PV Erzeugung zusätzliche Leistung geht in den Antrieb soweit dieser damit fahren kann. Erst zusätzliche Leistung (=Regler am Anschlag) geht in den Akku.

Die Leistung des Akkus kann positiv (Entladen) oder negativ (Laden) sein. Die Leistung des Antriebs kann nur negativ (=Verbraucher) sein weil keine Rekuperation gemacht wird.

Auch hier ist die Stellgröße die bereitgestellte Leistung zum Fahren. Die ist aber wegen der variablen PV Erzeugung nicht konstant, sondern die Akkuleistung ist konstant. Das wäre vielleicht sowas wie ein Addierer Batterieleistung plus PV Leistung aber in der Regelstrecke und nicht im Regler ???

[oberallgeier]

Janvi, ich finde es gut, dass Du Dir so viel Arbeit machst die ganze Chose zu ordnen, aus den verschiedenen Bedingungen etwas richtiges abzuleiten. Das Stichwort Kaskadenregler hatte bei ja erstmal den Schalter "total kompliziert" auf "EIN" gelegt - und ich wollte mir DEINE Auflistung im ersten Post garnicht vorstellen.

Dein Posting #5 von heute find ich gut, weil Du mal allerlei Fakten, Zustände und Vorgänge (kunterbunt) sinnvoll aufgelistet hast.

Ich sehe ein gewisses Problem in der Aufgabenstellung dadurch, dass zeit-fallweise hohe Stromentnahmen (Waschmaschine, Kochherd, Fernseher etc) anstehen und erlaubt werden müssen. Auch die Entnahme durch Autoaufladung ("daheim" und eher zur sonnenscheinarmen Zeit) u.ä. muss berücksichtigt werden. Eine Versorung durch Netzversorger scheinst Du ja vorerst auszuschließen.

Eine durchgängig gültige Lösung einer korrekten Regelung scheint mir sehr zweifelhaft.

Nach meinem simplen Denken könnte die Aufgabe unter vielen Möglichkeiten etwa so lauten (erstmal ziemlich simpel, quick´n dirty):

a) Die maximale Akkuladung (Ah) der PV darf im Laufe von 24 Stunden einen bestimmten Wert abnehmen.
{Rechenmöglichkeit/nicht zum Lesen gedacht: Dein jährlicher Energiebedarf, siehe Rechnung Energieversorger VOR PV-Anlage, dividiert durch 365; davon das Zwei- Drei- Vielfache - je nach Deinem Sicherheitsbedarf für mehrtägiges, totales Schlechtwetter. Irgendwann darf es ja wirklich Schluss sein}.

a1) Der Wert ist nu nie über den Tag konstant. Je nach Tages- und Lebensablauf läuft Waschmaschine, Kochherd, Fernseher etc etc, auch Entnahme durch Autoaufladung etc. Das muss entsprechend eingerechnet werden. Insbesondere sollten relativ konstante Stromverbraucher bedacht werden wie Kühl-/Gefrierschrank etc. Auch höhere Stromverbraucher wie Geschirrspüler, Waschmaschine, Staubsauger sollten ihr fettes Paket abholen dürfen (hier muss etliches Hirnschmalz aufgewendet werden).

So wäre dann die Stromentnahme in vorher bestimmbarem Mengenfluss möglich. Nur mal so, als Ansatz/Denkanstoß für eine ausgefeiltere Lösung.

[Janvi]

Mit Waschmaschine und Autoaufladung wird das Problem noch diffuser und komplizierter. Man könnte es eher mit einer Einspeiseleistung ins Verbundnetz vergleichen. Also besser keine Vergleiche. Habe daher erst mal eine Skizze zur besseren Ordnung der Gedanken gemacht. Die Subsysteme Erzeuger->Akku->Verbraucher sind gegeben und funktionieren auch bestimmungsgemäß. Offensichtlich sind sie aber Teil meiner Regelstrecke, haben jeweils einen oder mehrere Regler selbst drin. Ich habe den Laderegler MPPT und den Batterie Monitor BMS eingezeichnet, weil ich vermute, von denen einige Signale für meine Regelung abgreifen zu müssen.

Momentan wird die Fahrleistung rein manuell vorgegeben. Da ist es in der Früh sehr gefährlich mit dem Teil zu fahren. Der Akku SOC ist sowieso niedrig. Sobald eine Wolke aufzieht welche die Erzeugung beeinträchtigt muß man reagieren und anhalten weil sonst das Risiko einer Unterspannungsabschaltung vom Akku kommt. Das kommt leider regelmässig vor, weshalb ich durch Wegnehmen der Fahrleistung automatisch anhalten oder zumindest rechtzeitig bremsen möchte. Bei Unterspannungsalarm bzw. Abschaltung dauert es ziemlich lange bis das System überhaupt wieder kommunizieren kann und sich zurückmeldet. Das ist die Hysterese vom BMS, aber es ist alles schwarzstartfähig für autonomen Betrieb. Akkus sind schwer und teuer, weshalb massive Reserven keine Alternative zu einer fast vollständigen Entladung sind. Bei Sonnenaufgang soll ja möglichst früh losgefahren werden um tagsüber maximal viel abspeichern zu können.

Eines meiner Verständnisprobleme ist aktuell vermutlich, daß es im Schema sozusagen Hauptstromkreise und Hilfsstromkreise gibt was ich irgendwo sträflich vermische. Den Hauptstromkreis habe ich deshalb mal als Punktlinie gezeichnet. Es ist das DC Lastkabel welches den Laderegler, die Batterie und den Motor-Wechselrichter als Verbraucher miteinander verbindet. Hierauf findet ja eine vorzeichenrichtige Addition der Ströme statt, welche ich für den Regler wahrscheinlich in irgend einer Weise nachbilden müsste?

Laderegler und BMS sind über CAN Schnittstellen lesbar. Den DC Versorgungsstrom vom WR sehe ich nicht direkt, könnte ihn aber mit PV Leistung plus Akku Leistung ausrechnen. Ausserdem ist er grundsätzlich gleich der vorgegebenen Fahrleistung zzgl. WR Wirkungsgrad weil der WR ja intern auch einen Stromregler hat von welchem ich annehme daß er perfekt ausregelt. Die Fragezeichen im Schema sind an der Stelle, wo ich die Addition von PV Leistung und Akku Leistung vermutlich nachbilden muß um auf die Ausgangsgröße der Fahrleistung zu kommen.

Oder noch mal anders: Ein Regler gleicht durch seine Arbeit die Störgröße aus. Diese ist bei mir die PV Erzeugung (?). Nachdem diese als Messwert aber bekannt ist, könnte ich diese als Fahrleistung auch direkt hinzurechnen anstelle sie in einer Regelschleife aus Sicht des Akkus wegzuregeln? Ein Regler ist natürlich trotzdem passend weil sich der WR Wirkungsgrad u.v.m. ja mit der Temperatur verändert bzw. andere Ungenauigkeiten weggeregelt werden können.

Edit: Es ist wohl einfach eine ziemlich unverschämt unübersichtliche Regelstrecke, bestehend aus mehreren weiteren Reglern einschliesslich ihrer Regelstrecken welche die Sicht auf das Wesentliche vernebeln. Aber egal wie die Regelstrecke auch aussieht und welche Störgrößen wo eingreifen, probiere ich das jetzt einfach aus die Batterieleistung (Vorzeichen in beiden Richtungen) durch Verstellen der Fahrleistung (Vorzeichen nur in der Verbrauchsrichtung) konstant einzustellen.

[Janvi]

Also, der innere DC Regler funktioniert. Es gibt Arbeitspunkte für einen reinen P Regler wo der Fehler im Vorzeichen hin und herschwingt. Bei größeren Leistungen ist das Schwingen vom Nullpunkt weiter weg. Also habe ich noch einen I Anteil hinzugefügt. Das regelt schon mal lustig hin und her und ich kann mit Kp und Ki rumspielen.

Ein Problem dabei hat sich schon rausgestellt. Die Stromaufnahme des WR folgt der Vorgabe in verschiedenen Fahrsituationen unterschiedlich schnell. D.h. die Regelstrecke hat keine konstanten Eigenschaften. Das ist aber wohl eher eine klassische Optimierungsaufgabe aus der Regelungstechnik.

Hier ist mein Javascript für NodeRed, abgeschrieben hier aus dem Regler Wiki. Für C und Assembler Programmierer etwas gewöhnungsbedürftig. Soll und Istwert werden in globalen Variablen übergeben. Zum Zugriff braucht man dann die Methoden flow.get und flow.set. Das msg Objekt wird in einer Rückkopplungsschleife mit einer Zykluszeit von derzeit 1 sek wieder hinten eingespeist bzw. msg.out vorne als Stellgröße an den Wechselrichter ausgekoppelt.

//flow.sv = Setpoint Value, Sollwert ist gewuenschter SOC Batterie Ladezustand
//flow.pv = Process Value, Ist wert ist der aktuelle SOC Batterie Ladezustand

const Kp = 0.5;                                    // proportional parameter
const Ki = 0.1;                                       // integraion parameter
const Kd = 0;                                       // differential parameter

let error = (flow.get("pv2") - flow.get("sv2"));    // difference between setpoint value and process value
msg.errsum += error;                                // integral difference

msg.out =   (Kp * error)+ (Ki * msg.errsum);

// + Kd * (error - msg.errold); // PID Regulator

msg.errold = error;                             // save Error for next cycle
msg.out = Math.round(msg.out)*-1 ;              // negative Einspeisung, positive Akkulast

if (msg.out < -33000) msg.out = -33000;         // top saturation
if (msg.out >   -333) msg.out =   -333;         // bottom saturation

return msg;

Edit: Die Kommentare im Code sind natürlich noch falsch bzw. stammen von einer älteren Version wo ich ohne Kaskade probiert habe. Soll und Istwert sind nicht der SOC sondern die Batterie-Leistungen.

[Holomino]

Bei Sonnenaufgang soll ja möglichst früh losgefahren werden um tagsüber maximal viel abspeichern zu können.

Hmmm,
dazu müsstest Du dann aber auch wissen, was wann an Ladeleistung im Tagesverlauf zur Verfügung stehen wird.

Weist Du das, wenn Du um 9:00 Uhr noch 20% SOC hast und zum Sonnenuntergang 30% Reserve haben willst?
Hast Du eine Wetter-Api?

[oberallgeier]

... Zum Regelungsproblem ... hingewiesen, erstmal eine Skizze zu machen (klick) ...

... Bin momentan noch nicht in der Lage ein Diagramm zu zeichnen weil mich die Störgröße verwirrt.
Hat dies überhaupt etwas mit dem Regler zu tun oder ist es gar keine Störgröße

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