DD230946A1 - Positioniersystem - Google Patents

Abstract

Positioniersysteme, also Systeme zum Ansteuern einer vorgewaehlten Position mittels eines Antriebes und Steuer-, Mess- und Vergleichs- bzw. Rechenmitteln, auf die sich die Erfindung bezieht, sollen diese Position moeglichst schnell erreichen. Besondere Probleme entstehen aus variablen Systemparametern, die ein zeitoptimales Positionieren nicht zulassen. Mit der Erfindung wird ein adaptives annaehernd zeitoptimales Positioniersystem mit besonderer Beruecksichtigung variabler Parameter angegeben, das von einer angenommenen systembedingten Bremsparabel ausgeht, bis zu deren Schnittpunkt der Systemtrajektorie maximal beschleunigt wird. Eine oder mehrere Probebremsungen geben Aufschluss ueber die realen Werte der Bremskonstante und fuehren, zwischengespeichert, zur Korrektur bis zur erforderlichen Genauigkeit der Positionierung. Die Anwendung der Erfindung ist besonders bei variablen Systemparametern (z. B. Masse) fuer Werkstueckpositionierungen vorteilhaft und fuer Antriebe von magnetischen Speicherwickeln naeher beschrieben. Fig. 2

Description

!Eitel der Erfindung Positioniersystem

Anwendungsgebiet, der Erfindung

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf ein System zur Posit.ionierung, also zum Aussteuern einer vorgewählten Position mittels eines Antriebes und Steuer-, Meß- und Vergleichs— bzw. RechenmittelE, wobei auf schnellstmögliches Erreichen der Position, Wert gelegt wird. Spezielle Objekte, bei denen eine Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Antriebe für magnetische Speicherwickel, für Werkstücke mit variabler Masse und ähnliche Anwendungen mit variablen Systemparametern und hohen Geschwindigkeitsforderungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DE-OS 22 32 451 ist eine Steuerung zum Positionieren von Werkstücken bekannt, bei der ein Radizierer und ein Tachogenerator verwendet werden. Diese Steuerung ist nicht zur Erzielung eines zeit optimalen Vorganges geeignet.

Im DD-WP 138 449 ist ein Lageregelkreis für überschwingfreies und zeitsparendes Positionieren beschrieben, bei dem die Wegdifferenz zwischen Sollwert und Istwert mittels einer Arithmetikeinheit und eines Produktbildners so ausgewertet wird, daß ünstetigkeiten in der Beschleunigung abgebaut, werden. Sprünge in der Beschleunigung sind jedoch gerade das Kennzeichen zeitoptimaler Vorgänge.

In der DE-AS 2334455 ist eine Anordnung "beschrieben, mit der eine näherungsweise zeitoptimale Steuerung realisiert wird. Die Bremsparabel wird durch Geradenstücke mit -vorgegebener Steigung approximiert. Jedem Abschnitt ist eine feste Bremsbeschleunigung zugeordnet. Damit ist die Anwendung der Anordnung bei Systemen mit variablen Parametern ausgeschlossen.

Aus der DE-OS 2304888 ist ein Positionierantrieb bekannt, bei dem die Bremsung in mehreren Phasen verläuft.- und in der ersten Phase mit einer angepaßten Verzögerung, die kleiner als die Maximalverzögerung ist, gebremst wird. Nachteilig ist, daß es sich dadurch nicht mehr um eine Zweipunktregelung handelt.

In der DE-OS 2816780 ist ein Positioniersystem beschrieben, bei dem sich das antreibende oder bremsende Moment- im Gebiet zwischen zwei Bremskurven stetig ändert. Dafür sind zusätzliche Mittel erforderlich. Trotz dieser Modifizierung des zeit optimalen Steuergesetzes können Änderungen der Parameter- des Antriebes zu einem Überschwingen über den Zielpunkt: führen.

In der DE-OS 2501792 ist ein Positionierantrieb beschrieben, bei dem Änderungen der Systemparameter dadurch berücksichtigt werden, daß die Geschwindigkeit in der Bremsphase von der Istgeschwindigkeit in der vorangegangenen Beschleunigungsphase abhängig gemacht wird. Diese Anordnung arbeitet nur dann in der gewünschten Weise, wenn die Systemparameter unabhängig vom Torzeichen der auf das bewegliche Organ wirkenden Kraft sind. Außerdem ist nachteilig, daß in der Bremsphase eine stetige Regelung des Systems erfolgt.

Bei der in der DE-OS 2643148, beschriebenen Steuereinrichtung wird der Einsatzpunkt für die Bremsung durch einen Rechner extrapolierend berechnet und somit vermieden, daß der Bremsbefehl durch die taktgebundene Arbeitsweise des Reohners zu spät gegeben wird. In die Berechnung gehen die momentane Geschwindigkeit, der noch, zurückzulegende Hestweg; und die Beschleunigung ein. Bei Änderungen der Systemparameter kann das Überfahren des Zielpunktes nicht ausgeschlossen werden.

In der DE-OS 3005139 ist die Steuerung für einen mehrachsigen Positionierantrieb beschrieben, bei dem eine gegenseitige Beeinflussung in den verschiedenen Achsen auftritt. Dadurch sind die Parameter in einer Achse von der Bewegung der anderen Aohsen abhängig. Um trotzdem den richtigen BremsZeitpunkt bestimmen zu können, werden vor dem Arbeitsgang 3 Probeläufe durchgeführt, in deren Verlauf die Parameter bestimmt und die Bremswinkel errechnet und abgespeichert werden. Sie werden beim Arbeitsgang als Steuergröße verwendet. Eine derartige Steuerung ist anwendbar, wenn der Antrieb eine Folge gleichartiger Bewegungsabläufe unter gleichbleibenden Bedingungen durchführt, w.ie das z.B. bei Industrierobotern der Fall ist. Anderenfalls müssen Jeweils neue Probeläufe durchgeführt werden«

Im DD-AP 131 417 ist ein adaptiv-vorhersagendes Regelungssystem beschrieben, bei dem durch einen Digitalrechner ein Regelvektor berechnet wird, der den vorhergesagten Ausgangsvektor des Pofzesses gleich dem erwünschten Ausgangsvektor macht.-Dazui ist ein Modell des Prozesses vorgesehen, dessen Parameter ständig aktualisiert werden. Es handelt sich also um die selbsttätige Optimierung einer direkten digitalen Regelung. Die vorgeschlagene Verfahrensweise kann bei einer zeit optimalen Regelung nicht angewendet werden, da sich sowohl die Zielstellung als auch die Wirkungsweise beider Regelungen grundlegend voneinander unterscheiden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich demgegenüber zum Ziel, eine schnellstmögliche Positionierung ohne die erwähnten Nachteile und Einschränkungen mit geringem Aufwand zu erreichen,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Eine Analyse der technischen Mängelursachen ergibt, daß diese Zielstellung zwar mit den bekannten Mitteln und Vorrichtungen, nicht aber mit den verwendeten Arbeitsverfahren erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein neues adaptives und annähernd zeitoptimales Positioniersystem zu schaffen, daß sich, ausgehend von bekannten Vorrichtungen und Mitteln, durch eine andersartige Handlungsfolge an variable vorzeichenabhängige und nichtlineare Parameter anpaßt, ohne vorherige Probeläufe zu benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, -daß zuerst unter Voraussetzung einer systembedingten, hinreichens großen Bremskonstante E^ und der vorgewählten Position eine maximale Beschleunigung des Antriebes bis zum Schnittpunkt der Systemtrajektorie mit der Eremsparabel |s| =K^_#v erfolgt und danach einmalig bzw. wiederholt im Wechsel mit der Beschleunigung eine maximale Bremsung des Antriebes bis zum Schnittpunkt der Systemtrajektorie mit der Beschleunigungsparabel fs) =K_ßE.v mit ^Kgg=^KBß·<X «O* ^>1) erfolgt, während gleichzeitig ständig der reale Wert der Bremskonstante K^ aus der Abhängigkeit:

2 2"^ · ß^Cß 5 Ό "°3-^{3 ζα;ρ} nachfolgenden Ermittlung gespeichert wird, bis die vorgewählte Position im Rahmen einer Tergleichstoleranz erreicht ist und die Antriebsschaltung bzw. Bremsung erfolgt.

Ist von inkrementalen Weg- bzw. Winkelgebern auszugehen, wird der Weg bzw. der Winkel durch Zählung der Impulse und die zugehörige Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit·durch Messung der Periodendauer der Impulse gleichzeitig ermittelt.

Die Dauer der Ermittlung der Anzahl und Dauer von Impulsen entspricht vorteilhaft der Periodendauer des Teilungsfehlers des inkrementalen Weg- bzv/. Winkelgebers, wodurch dieser eliminiert

Sind absolute Weg- bzv/. Winkelgeber vorhanden, so werden vorteilhaft nacheinander Positionsinformationen und Zeitinformationen bzw. Taktinformationen ermittelt und verglichen.

Besonders vorteilhafte Eigenschaften erhält das System, wenn sich eine Positionsinformation (z.B. Zeit code- bzw. Steuerspur auf ' magnetischem Aufzeichnungsträger) direkt auf dem zu

positionierenden Gegenstand "befindet:.

Die Wirkungsweise der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale werden nachfolgend im Ausführungsbeispiel erklärt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden·

In den zugehörigen Zeichnungen aeigen

Fig. 1 die Prinzipdarstellung des Positioniersystems in Anwendung zur Suchlaufsteuerung eines Magnetbandgerätes, Fig. 2 die Phasenbahnen des Positioniersystems.

In Fig. 1 ist das Magnetband 16 vom linken Wickel, der mit dem Motor 5 angetrieben ist, über zwei Schlaufenfänger 3; 8 und zwei Umlenkrollen 4> 6 zum rechten Wickel 9 geführt, der mit dem Motor 12 angetrieben ist. Die Bremsbacken 2; 11 werden durch den Bremsmagneten 13 betätigt,. Die. Motoren 5j 12 sowie der Bremsmagnet 13 sind mit Ausgängen der Steuereinrichtung elektrisch verbunden. Zwei Eingänge der Steuereinrichtung 10 sind mit einem Tachogenerator 7 verbunden, der mechanisch mit der Umlenkrolle 6 gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 10 ist ferner mit einem Rückstelleingang 15 versehen. Über den Starteingang 14 wird der Positioniervorgang gestartet.

Bei der Beschreibung des Vorganges der Positionierung soll zunächst davon ausgegangen werden, daß die Motoren 5; 12 Gleichstrommotoren sind. Dann kann bei Vernachlässigung des Einflusses der beiden Schlaufenfänger 3 j 8 und der Elastizität des Magnetbandes 16 das aus den beiden Motoren 5; 12, den Wickeln 1; 9 sowie den Umlenkrollen 4; 6 bestehende System bezüglich des Weges als IT_-1-System aufgefaßt werden. Das Problem, einen vorgewählten Zielpunkt in möglichst kurzer Zeit zu erreichen, wird durch sogenannte zeitoptimale Regelungssysteme gelöst. Dabei müssen jedoch die Parameter (im betrachteten Fall die Zeitkonstante des T^-Anteils sowie ein Verstärkungsfaktor) konstant sein. Bei dem System nach Fig. 1 ist das wegen der sich ändernden Radien der Wickel 1; 9 nicht der Fall.Entspre-

chend der Erfindung werden die veränderlichen Parameter während des Positioniervorganges aktualisiert. Dadurch kann ferner der bei IT^-Systemen sehr komplizierte Charakter der Phasenbahnen durch den wesentlich einfacheren Zusammenhang ls|=kv , der für Ip-Systeme gilt, ersetzt werden*

Nach Auslösung des Positioniervorganges am Starteingang 14 der Steuereinrichtung 10 wird der Motor eingeschaltet. Durch die Drehung der mit dem Magnetband 16 gekoppelten Umlenkrolle 6 entstehen an den beiden Ausgängen des Tachogenerators 7 Impulsreihen mit einer elektrischen Phasenverschiebung von zur Erkennung der Bewegungsrichtung. In der Steuereinrichtung 10 wird durch Zählung dieser Impulse ein Maß für den Weg s gebildet. Der Zählwert kann über den Rückstelleingang 15 auf Null zurückgesetzt werden, wodurch ein neuer Zielpunkt bestimmt ist*

Die Frequenz der Ausgangsimpulse des Tachogenerators 7 ist der Geschwindigkeit ν des Magnetbandes 16 proportional. Ein Maß für die Geschwindigkeit wird in der Steuereinrichtung 10 durch Messung der Frequenz oder der Periodendauer der Impulse des Tachogenerators 7 auf bekannte Weise gebildet.

Der weitere Ablauf der Positionierung soll anhand von Fig. 2 beschrieben werden.

Das im Punkt A gestartete System bewegt sich mit maximaler Beschleunigung auf das Zielgebiet Z zu. Die Phasenbahn 20 schneidet im Punkt B eine Bremsparabel 22, deren Verlauf durch die Gleichung '^s'=^bd »v bestimmt ist. Wenn der Schnittpunkt er-

o reicht ist, wird der Motor 12 abgeschaltet und der Motor 5 eingeschaltet. Dadurch ergibt sich eine maximale Bremsung des Systems. Die BremskOiistante kjm ist so gewählt, daß das Sys—

ο tern bei ungünstigsten Parametern und fortdauernder Bremsung auf der Trajektorie 27 noch vor Erreichen des Zielgebietes Z die Drehrichtung umkehren würde.

Während der Bremsung werden durch die Steuereinrichtung 10 fortlaufend Meßwerte für die momentane Größe der das System charakterisierenden Konstante k nach der Gleichung

k - errechnet. Ist die Wegdifferenz I S_n-S_n A ¹ⁿ ν^τ

ausreichend klein, kann stattdessen auch die Näherungsgleichung

k,, «—-—— verwendet werden. Der Antrieb wird wie-

^M1n 2 I T_n(V_n-T))

der maximal "beschleunigt, wenn die Beschleunigungsparabel 21 im Punkt C geschnitten wird. Sie verläuft, entsprechend der Glei-

chung I s| =k_BE .τ · Die Beschleunigungskonstante k^j. wird ο ο

gemäß kgg^cc .k_m^ (e^1) _{aus der} Bremskonstante errechnet. Ihre Größe bestimmt die Zeitdauer des BremsVorganges. Er darf nicht zu kurz sein, da anderenfalls die beim Umschalten der Richtung der Beschleunigung auftretende Bewegung der Schlaufenfänger die Messung stört. Falls keine Schlaufenfänger vorgesehen sind, müssen nur die Elastizität des Bandes und eventueller Schlupf an der Rolle 4 in Fig. 1 berücksichtigt werden. Dann kanncC näher bei Eins liegen*

Der letzte vor dem Schnittpunkt C, also am Ende des Bremsvorganges, ermittelte Meßwert k„, wird gespeichert. Da das Verhalten des realen Systems durch eine Parabel nicht exakt zu beschreiben ist, wird aus dem Meßwert die neue Bremskonstante durch kgj, = ß k,_r (ß^1) gebildet. Die dadurch bestimmte Bremsparabel 24 wird im Punkt D geschnitten. Wenn es sich um ein I2-System handeln würde, könnte β gleich Eins gewählt werden und die Bewegung des Systems würde vom Punkt D ab exakt auf der Kurve 24 bis in das Zielgebiet verlaufen. Die geschilderten Unterschiede erfordern jedoch eine schnellere Bremsung.

Die Systemtrajektorie 20 schneidet im Punkt E die Beschleunigungsparabel 23, die durch k~g =oC kg-, charakterisiert ist.

Anschließend werden, wie Torher beschrieben, neue Meßwerte

k_M und aus dem letzten Meßwert km und k-,™ ermittelt. M BR₂ BE₂

Durch erneute Beschleunigung wird im Punkt F die Bremsparabel 26 geschnitten. In der Darstellung wurde angenommen, daß die Systeintrafektorie, solange sie sich außerhalb des Zielgebietes befindet, zwischen den Kurven 25 und 26 verläuft. Dann erfolgt keine weitere Umschaltung der Motoren. Beim Eintritt in das Zielgebiet wird der zuletzt eingeschaltete Motor ausgeschaltet. Gleichzeitig erhält der Bremsmagnet 13 Spannung, wodurch der Antrieb stillgesetzt wird.

\ Wie schon vorher erläutert, wird der reale Verlauf der Systemtrajektorie durch eine Ersatzparabel angenähert. Aus diesem Grunde darf das Positioniersystem auch nichtlineare Elemente enthalten. So können z.B. die Motoren 5j 12 auch Wechselstrom-Asynchronmotoren sein. In diesem Falle kann der Bremsmagnet 13 entfallen. Stattdessen werden bei der Stillsetzung des Antriebes die Motoren'5j 12 mit Gleichstrom gespeist.

Der Tachogenerator 7-kann an beliebiger Stelle, eventuell auch über eine speziell dafür vorgesehene Rolle, an das Band angekoppelt werden.

Durch den Teilungsfehler (Schwankungen des Abstandes der Impulse bei konstanter Drehzahl der Umlenkrolle 6) können Störungen >_; im Ablauf der Positionierung eintreten. Sie können durch bekannte konstruktive Maßnahmen zur Kompensation des Teilungsfehlers vermieden werden. Torteilhaft ist auch die Periodendauermessung über eine größere Anzahl von Impulsen, vorzugsweise über eine Anzahl, die einer vollen Umdrehung der Umlenkrolle 6 entspricht.

Die benötigten Impulse können auch direkt auf dem Band aufgezeichnet sein oder aus einer aufgezeichneten kodierten Information abgeleitet werden.

Im letztgenannten Fall kann vorteilhaft auf die Zählung von Impulsen verzichtet werden, da die kodierte Information selbst schon ein Maß für den Weg ist. Dies trifft auch dann zui, wenn absolute Weg- oder Winkelgeber verwendet werden.

Der .Antrieb der Wickel 1 j 9 kann auch so ausgebildet sein, daß nur ein Motor verwendet wird, der über ein Koppelgetriebe wahlweise den einen oder -den anderen Wickel antreibt, wobei dessen Umschaltung an die Stelle der Motorenumsehaltung tritt.

Wird die Erfindung in einem Positioniersystem angewendet, bei dem Werkstücke oder andere Gegenstände bewegt werden, dann erfolgt, die Umschaltung der Richtung der Beschleunigung durch Umsteuerung des antreibenden Motors. Sind durch das Positoniersystem Linearbewegungen, z.B. in einem Förderantrieb, auszuführen, dann ist statt des Tachogenerators 7 zweckmäßig eine der bekannten Ausführungen linearer inkrementaler oder absoluter Weggeber einzusetzen.

Der Anwendungsbereich des Positioniersystems kann in naheliegender Weise dadurch erweitert werden, daß in die Steuereinrichtung 10~~über weitere Eingänge ein gewünschter Zielpunkt eingegeben wird.

Beim derzeitigen Stand der Technik können alle Aufgaben der Steuereinrichtung 10 durch einen Sinchip-Mikroreeimer erfüllt werden. Sie kann jedoch auch aus einem Mehrchip-System oder aus einzelnen logischen Baugruppen bestehen.

Claims (5)

Erfindungsanspruch

1. Positioniersystem, mit dem unter Verwendung von Antriebs-, Steuer-, Meß- und Vergleichs- bzw. Rechenmitteln mit hoher Geschwindigkeit: vorgewählte Positionen ansteuerbar sind, gekennzeichnet dadurch, daß zuerst unter Voraussetzung einer systembedingten hinreichend großen Bremskonstante kgrv und der vorgewählten Position eine maximale Beschleunigung des Antriebes bis zum Schnittpunkt der Systemtrajektorie mit der Bremsparabel I s}=k-rvp,.v erfolgt und danach einmalig bzw. wiederholt im Wechsel mit der Beschleunigung eine maximale Bremsung des Antriebes bis zum Schnittpunkt der

2. Positioniersystem nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Weg bzw. der Winkel durch Zählung der Impulse und der zugehörigen Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit durch Messung der Periodendauer der Impulse an inkrementalen Wegbzw. Winkelgebern gleichzeitig ermittelt werden.

2 Systemtrajektorie mit der BeschleunigungsparabelJ si=kg_E«v mit k-ggskg^.cc _i£c^1) erfolgt, während gleichzeitig ständig der reale Wert der Bremskonstante k-gn aus der Abhängigkeit ^kPR⁼ * ^S1~³2 f . ß,(ß> 1) ermittelt und bis zur nachfolgenden

Ermittlung gespeichert wird', bis die vorgewählte Position im Hahmen einer Vergleichstoleranz erreicht ist und die Antriebsabschaltung bzw. Bremsung erfolgt.

3. Postitioniersystem nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ermittlungsdauer der Anzahl und Dauer von Impulsen der Periodendauer des Teilungsfehlers oder dessen Vielfachen entspricht« -

4. Positioniersystem nach Punkt .1, gekennzeichnet dadurch, daß mittels absoluter Weg- bzw. Winkelgeber nacheinander Positionsinformationen und Zeitinformationen bzw. Taktinformationen ermittelt und verglichen werden.

5· Positioniersystem nach. Punkt 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß sich eine Positionainformation direkt auf dem zu positionierenden Gegenstand befindet.

Hierzu t