Cascaded Control

Auch genannt: cascade control, nested-loop control, inner-outer loop control
Kategorie: Control › Feedback control
Schlagwörter: feedback-control, pid, flight-control, motor-control, control-architecture

Eine Regelungsstruktur mit verschachtelten Regelkreisen, bei der ein äußerer Kreis den Sollwert für einen schnelleren inneren Kreis berechnet, etwa Position über Lage über Drehrate bei einer Drohne.

Definition

Kaskadenregelung (cascaded control) zerlegt ein Regelungsproblem in verschachtelte Regelkreise. Der äußere Kreis regelt die langsame Größe, auf die es dem Anwender ankommt, etwa die Position, und seine Ausgabe ist kein Aktuatorbefehl, sondern ein Sollwert für einen inneren Kreis, der eine schnellere Zwischengröße wie Geschwindigkeit, Lage oder Strom regelt. Jeder Kreis muss nur einen Teil der Dynamik behandeln, was Entwurf und Abstimmung der Regler vereinfacht, und der innere Kreis unterdrückt Störungen wie eine Böe oder ein Lastmoment, bevor sie die äußere Größe erreichen.

Die Struktur funktioniert am besten, wenn der innere Kreis viel schneller ist als der äußere. Der äußere Kreis kann den inneren dann so behandeln, als folge dieser seinem Sollwert sofort. Eine verbreitete Faustregel lautet, jeden inneren Kreis in der Bandbreite um ein Mehrfaches schneller zu machen als den ihn umgebenden Kreis, oft um einen Faktor von etwa fünf bis zehn. Die Kreise werden von innen nach außen abgestimmt: zuerst der innerste Kreis, dann jeder äußere Kreis bei geschlossenen inneren Kreisen. Grenzen müssen zwischen den Ebenen weitergegeben werden, etwa ein maximaler Neigungswinkel oder Strom, und äußere Kreise brauchen einen Anti-Windup, damit sie nicht weiter Regelabweichung aufintegrieren, während der innere Kreis in der Sättigung ist.

Zwei Beispiele sind in der Robotik nahezu allgegenwärtig. Elektrische Motorantriebe verwenden einen Strom-(Drehmoment-)Kreis innerhalb eines Geschwindigkeitskreises innerhalb eines Positionskreises. Multikopter-Flugregler verwenden einen Positionsregler, der eine Sollbeschleunigung ausgibt, die in einen Gesamtschub und eine Soll-Lage umgerechnet wird; ein Lageregler gibt dann Drehratenbefehle aus; und ein Drehratenregler erzeugt Momente, die ein Mischer in einzelne Motorbefehle umsetzt. Die äußeren Kreise können PD-, PID- oder modellbasierte Regler sein, und die Positionsebene wird manchmal durch modellprädiktive Regelung ersetzt, während die inneren Lage- und Drehratenkreise erhalten bleiben. Die Grenze der Kaskadenregelung liegt darin, dass sie die Kopplung zwischen den Ebenen ignoriert: Aggressive Manöver, die Leistung nahe der Bandbreite des inneren Kreises verlangen, oder stark gekoppelte Dynamik lassen sich besser mit Reglern behandeln, die das Gesamtsystem auf einmal betrachten.

Warum es wichtig ist

Die meisten kommerziellen Drohnen, Motorantriebe und viele Robotergelenke werden durch Kaskadenregelkreise geregelt, daher begegnen Ingenieure dieser Struktur, wann immer sie reale Hardware abstimmen, debuggen oder erweitern. Wer die Bandbreitentrennung und die Schnittstellen zwischen den Kreisen versteht, kann viele häufige Probleme erklären, von träger Positionsfolge bis zu Schwingungen durch einen schlecht abgestimmten inneren Kreis.

Wichtige Anwendungen

Multikopter-Flugregler mit Positions-, Lage- und Drehratenkreisen
Servomotorantriebe mit Strom-, Geschwindigkeits- und Positionskreisen
Gelenkregelung von Roboterarmen und Laufrobotern
Prozessregelung, etwa Temperatur- und Durchflussregelung
Kombination eines modellprädiktiven äußeren Kreises mit schnellen inneren Folgekreisen

In der Praxis

Bei einer Renndrohne sendet der Planer des Teams Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsreferenzen. Ein äußerer PD-Positionskreis, der mit niedrigerer Rate läuft, berechnet eine Sollbeschleunigung, addiert die Schwerkraft und die Vorsteuerbeschleunigung und setzt das Ergebnis in einen Gesamtschub und eine Soll-Schubrichtung um. Ein innerer proportionaler Lagekreis wandelt den Lagefehler in Drehratenbefehle um, denen der Drehratenkreis des Flugreglers mit viel höherer Rate anhand der Gyroskoprückführung folgt. Wenn die Drohne im Schwebeflug schwingt, stimmt das Team zuerst den Drehratenkreis für sich neu ab, dann den Lagekreis und erst danach die Positionsverstärkungen, statt den äußeren Kreis so zu verstellen, dass er einen schlecht abgestimmten inneren kompensiert.

Häufige Missverständnisse

Beliebige Regler lassen sich zu einer Kaskade stapeln — die Struktur setzt voraus, dass der innere Kreis deutlich schneller ist; ohne diese Trennung beeinflussen sich die Kreise gegenseitig und können instabil werden
Kaskadierte Kreise lassen sich in beliebiger Reihenfolge abstimmen — die inneren Kreise sollten zuerst abgestimmt werden, weil das Verhalten des äußeren Kreises davon abhängt, wie der innere Kreis reagiert
Kaskadenregelung ist gegenüber modellprädiktiver Regelung veraltet — viele MPC-basierte Systeme betreiben weiterhin kaskadierte innere Kreise für Lage, Drehrate oder Strom, wobei MPC nur die äußere Ebene ersetzt

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Drohnen und Flugregelung
Ingenieure für Motorregelung und Antriebe
Robotikingenieure, die Gelenkregler und Regler für mobile Plattformen abstimmen
Studierende, die praktische Regelungstechnik lernen

Videos

Introduction to Cascade Control: LearnChemE

Open Source Robotics