Entwurf robuster Regler mit der "Quantitativen Feedback Theory"

Die "Quantitative Feedback Theory" (QFT) beschreibt eine praktische Methode, welche für den Entwurf von Regelungssystemen mit zwei Freiheitsgraden für lineare und nichtlineare Regelstrecken eingesetzt wird. Die Grundlage dieser Methode wurde 1959 von I. Horowitz eingeführt und im Rahmen seiner Tätigkeiten im Bereich der angewandte Mathematik und der Regelungstechnik so weiterentwickelt, dass das Verfahren auf zeitvariante und diskrete Systeme angewendet werden kann [Horowitz 1993]. Der Entwurf erfolgt im Frequenzbereich, so dass die im Zeitbereich formulierten Entwurfskriterien/Gütemaße zunächst in den Frequenzbereich transformiert werden. Die QFT-Methode ist für SISO, MISO und MIMO Systeme geeignet.

Das erste Dogma dieser Methode beruht auf der Tatsache, dass die Rückführung nicht unbedingt verwendet wird, um ein bestimmtes Eingangs- / Ausgangsverhalten des geregelten Systems zu erzielen, weil dies meistens mit konventionellen Reglern realisierbar ist. Die QFT wird verwendet, um das gewünschte Führungsverhalten trotz Parameterunsicherheiten und unbekannter Störungen der Strecke zu garantieren. Das zweite Dogma fordert den Entwurf eines robusten Regelungssystems mit Hilfe einer "quantitativen" Methode, sofern diese der Ingenieurwissenschaft zugeordnet ist. Die Streckenunsicherheiten, die unbekannten Störungen und die robusten Entwurfspezifikationen sollen also in quantitativer Form ausgedrückt werden.

Der Entwurf eines robusten Regelungssystems mit Hilfe der QFT kann in drei wesentliche Schritte zusammengefasst werden. Zunächst erfolgt eine Abbildung der quantitativ formulierten Anforderungen bezüglich der Stabilität, des Führungsverhaltens und des Störverhaltens als frequenzabhängige Grenzen in ein Nichols-Diagramm. Dann wird für eine ausgewählte nominelle Strecke die Schnittmenge der Grenzen bestimmt. Darüber hinaus wird der Frequenzgang des nominellen offenen Regelkreises ebenfalls im Nichols-Diagramm eingefügt. Anschließend werden die Komponenten des Regelungssystems so ausgewählt, dass der resultierende Frequenzgang des geschlossenen Regelkreises im Bereich der erlaubten Grenze im Nichols-Chart liegt. In der Analyse des Ergebnisses wird die Robustheit des entworfenen Regelungssystems untersucht, um nachzuweisen, dass das Regelungssystem alle Entwurfskriterien für den gesamten Bereich der Parameterunsicherheiten erfüllt.


Am Institut für Regelungstechnik wird die "Quantitative Feedback Theory" zum Entwurf robuster Regelungssysteme für nichtlineare zeitinvariante Strecken mit parametrischen und nichtparametrischen Unsicherheiten angewendet.

Literatur

[Horowitz 1993] Horowitz, Isaac M.: Quantitative feedback design theory (QFT). Vol. 1 / Isaac M. Horowitz. - Boulder, Colorado : QFT Publications, 1993.
[Yaniv 1999] Yaniv, Oded: Quantitative feedback design of linear and nonlinear control systems. Boston: Kluwer, 1999.