DE102006049491A1

DE102006049491A1 - Verfahren und Steuermodul für einen pneumatischen Aktor

Info

Publication number: DE102006049491A1
Application number: DE200610049491
Authority: DE
Inventors: Sören Dipl.-Ing. Tschill; Eberhard Prof. Dr. Köhler; Eberhard Dr.-Ing. Zipplies
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuermodul (14) und ein Steuerverfahren für eine Fahrbewegung eines Kolbens (15) eines pneumatischen Aktors (11) an eine Endposition (20, 21), wobei der Kolben (15) einen Bewegungsraum (9) eines Aktor-Gehäuses (17) in Kammern (18, 19) teilt, mit einer durch ein Steuermodul (14) angesteuerten Ventilanordnung (13) zur Einstellung pneumatischer Druckverhältnisse in den Kammern (18, 19) für eine Bremsphase (B), in der der Kolben (15) abgebremst wird, und für eine sich an die Bremsphase (B) anschließende Kriechphase (K), in der der Kolben (15) mit einer Kriechgeschwindigkeit an die Endposition (20, 21) fährt. Bei dem Steuerverfahren ist vorgesehen: - Verändern eines Bremszeitpunkts, an dem die Bremsphase (B) während der Fahrbewegung des Kolbens (15) vor Erreichen der Endposition (20, 21) beginnt, - Erfassen einer einem jeweiligen Bremszeitpunkt zugeordneten Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) an der Endposition (20, 21), - Ermitteln eines optimalen Bremszeitpunkts (tBopt), bei dem die Endgeschwindigkeit im Bereich einer maximal zulässigen Maximal-Endgeschwindigkeit (vendzul) liegt und diese nicht überschreitet, und - Steuern oder Regeln des pneumatischen Aktors anhand des optimalen Bremszeitpunkts (tBopt) oder einer von dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) abhängigen Größe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Fahrbewegung eines Kolbens eines pneumatischen Aktors an eine Endposition, wobei der Kolben einen Bewegungsraum eines Aktor-Gehäuses in Kammern teilt, mit einer durch ein Steuermodul angesteuerten Ventilanordnung zur Einstellung pneumatischer Druckverhältnisse in den Kammern für eine Bremsphase, in der der Kolbens abgebremst wird, und für eine sich an die Bremsphase anschließende Kriechphase, in der der Kolben mit einer Kriechgeschwindigkeit an die Endposition fährt. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuermodul und einen mit einem Steuermodul ausgestatten pneumatischen Aktor.
Ein Steuerverfahren, bei der ein Kolben eines Zylinders mithin eines pneumatischen Aktors zunächst abgebremst und anschließend in einer Kriechphase bzw. Schleichgangphase in Richtung einer Endposition verfahren wird, ist beispielsweise aus der Patentschrift DE 101 22 297 C1 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine geeignete Proportional-Ventilanordnung, mit der die Druckverhältnisse zur Einstellung der Bremsphase und der Kriechphase an dem pneumatischen Aktor eingestellt werden können. Die bekannte Ventilanordnung ist mit Drucksensoren ausgestattet und weist zudem am Verfahrweg des Kolbens angeordnete Näherungsschalter auf, um die Fahrbewegungen des Kolbens zu steuern.
Für eine Steuerung oder Regelung anhand der jeweiligen Position des Kolbens sind Positionssensoren oder ein Wegmesssystem am pneumatischen Aktor erforderlich. An festgelegten Schaltpunkten entlang des Fahrwegs des Kolbens werden dann die Ventile umgesteuert. Wenn sich die Lastverhältnisse ändern, müssen prinzipiell die Positionssensoren an veränderten Positionen entlang des Fahrweges neu positioniert werden und ggf. justiert werden. Ein Bedienereingriff ist dann erforderlich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Steuerverfahren und ein einfaches Steuermodul bereitzustellen, für das vorteilhaft möglichst wenig Sensoren erforderlich sind.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen:

– Verändern eines Bremszeitpunkts, an dem die Bremsphase während der Fahrbewegung des Kolbens vor Erreichen der Endposition beginnt,
– Erfassen einer einem jeweiligen Bremszeitpunkt zugeordneten Endgeschwindigkeit des Kolbens an der Endposition,
– Ermitteln eines optimalen Bremszeitpunkts, bei dem die Endgeschwindigkeit im Bereich einer maximal zulässigen Maximal-Endgeschwindigkeit liegt und diese nicht überschreitet, und
– Steuern oder Regeln des pneumatischen Aktors anhand des optimalen Bremszeitpunkts oder einer von dem optimalen Bremszeitpunkt abhängigen Größe.

Zur Lösung der Aufgabe ist ferner ein Steuermodul gemäß der technischen Lehre eines weiteren Anspruchs vorgesehen.
Das Steuermodul ist beispielsweise ein Controller oder umfasst einen Controller, der die Ventilanordnung über eine Steuerschnittstelle ansteuert. Die Druckverhältnisse am Arbeitszylinder bzw. an den Ventilen sind für die erfindungsgemäße Steuerung und Regelung der Fahrbewegungen des Kolbens nicht erforderlich. Zunächst wird ein optimaler Bremszeitpunkt ermittelt, bei dem die Endgeschwindigkeit des Kolbens im Bereich der maximal zulässigen Maximal-Endgeschwindigkeit liegt, diese Maximal-Endgeschwindigkeit jedoch nicht unterschreitet. Wenn das Steuermodul beispielsweise mit Zeitinkrementen arbeitet, würde die Erhöhung des optimalen Bremszeitpunktes um ein Zeitinkrement beispielsweise die Überschreitung der Maximalendgeschwindigkeit bedeuten, d.h. dass die Maximalendgeschwindigkeit bei dem optimalen Bremszeitpunkt gerade nicht überschritten ist.
Der Aktor wird vorteilhaft in jeder Bewegungsrichtung individuell angesteuert, z.B. für die Ein- und Ausfahrbewegung.
Der pneumatische Aktor kann beispielsweise ein Linearantrieb, z.B. ein pneumatischer Zylinder mit einer Kolbenstange oder ein kolbenstangenloser Zylinder sein. Ferner kann der Antrieb auch ein Drehantrieb sein, beispielsweise ein Schwenkantrieb, der zumindest eine Schwenk-Endposition anfährt.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, den pneumatischen Aktor vorteilhaft zeitgesteuert zu steuern, sodass die individuellen Positionen des Aktors bei seiner Fahrbewegung nicht bekannt sein müssen. Prinzipiell reicht es, wenn mittels eines Sensors festgestellt wird, dass der Kolben die Endposition erreicht hat. Zweckmäßig ist es, wenn bei/vor der Endposition auch eine Geschwindigkeitsmessung durchgeführt wird, um die Endgeschwindigkeit des Kolbens bei der Endposition zu erfas sen, z.B. mit Positionssensoren oder einem Wegmesssystem oder dergleichen.
Vorteilhaft wird die Endgeschwindigkeit des Kolbens an der Endposition mit Hilfe eines Vor-Sensors und eines der Endposition zugeordneten Endlagensensors ermittelt. Dabei gilt die nachfolgende Formel (1):
ΔSsensor ist der Abstand zwischen dem Vor-Sensor und dem Endlagensensor. ΔTsensorsig ist die Zeitspanne zwischen den Signalen des Vor-Sensors und des Endlagensensors.
Die Endgeschwindigkeit ist zweckmäßigerweise ein Mittelwert der Geschwindigkeit des Kolbens in einem letzten Bewegungsabschnitt vor Erreichen der Endposition.
Prinzipiell denkbar wäre es auch, das erfindungsgemäße Steuerverfahren einer Kriechposition zuzuordnen, die der Endposition vorgelagert ist und bei der sich der Kolben mit einer maximal zulässigen Kriech-Geschwindigkeit bewegt. Dann wären die Begriffe "Endgeschwindigkeit" durch "Kriechgeschwindigkeit" bei der Kriechposition zu ersetzen.
Zweckmäßigerweise ermittelt das erfindungsgemäße Steuerverfahren eine Gesamtfahrzeit, die zumindest die Bremsphase B mit einer Dauer TB und die Kriechphase K mit einer Dauer TK umfasst, in Abhängigkeit von dem optimalen Bremszeitpunkt. Es versteht sich, dass die Gesamtfahrzeit auch weitere Phasen umfassen kann, z.B. vorteilhaft eine der Bremsphase vorgelagerte Beschleunigungsphase A mit einer Dauer TA. Die Beschleunigungsphase ist zweckmäßigerweise der Bremsphase un mittelbar vorgelagert. Es versteht sich, dass zwischen der Beschleunigungsphase und der Bremsphase auch eine Phase mit konstanter Bewegungsgeschwindigkeit sein kann.
Eine vollständige Fahrbewegung des Kolbens von Endposition zu Endposition umfasst zweckmäßigerweise die Beschleunigungsphase, die Bremsphase und die Kriechphase.
Ein Bewegungsprofil des Kolbens wird durch eine Einstellung der Drücke in den Kammern des Aktors in den einzelnen Phasen erreicht.
Während der Beschleunigungsphase B wird die treibende Kammer zweckmäßigerweise ungehindert mit Druckluft beaufschlagt und die (später bremsende) Kammer ist mit der Umgebung verbunden, so dass die Druckluft ungehindert in die Umgebung ausströmen kann. Die andere, später bremsende Kammer ist "an die Umgebung entlüftet".
Während der Bremsphase B kann in einer ersten Variante die treibende Kammer zweckmäßigerweise weiterhin ungehindert mit Druckluft beaufschlagt werden und die nunmehr tatsächlich bremsende Kammer ist z.B. gedrosselt mit der Druckluftquelle verbunden, so dass die zur Druckluftquelle rückströmende Luft gedrosselt ist.
In einer zweiten Variante zur Realisierung der Bremsphase ist die Druckluftzufuhr der treibenden Kammer gesperrt, indem eine Verbindung zwischen der Druckluftquelle und der treibenden Kammer gesperrt ist. Die treibende Kammer hat aber zweckmäßigerweise eine gedrosselte Verbindung zur Umgebung, so das Luft gedrosselt in die treibende Kammer einströmen kann. Die bremsende Kammer ist mit der Umgebung verbunden.
Es versteht sich, dass zum Abbremsen auch andere Schaltungsvarianten möglich sind, z.B. dass in der bremsende Kammer ein Gegendruck aufgebaut wird, die bremsende Kammer geschlossen wird oder dergleichen.
Für die Kriechphase, in der der Kolben langsam und sozusagen im Schleich- oder Kriechgang fährt, ist die treibende Kammer ungehindert mit der Druckluftquelle verbunden, so dass die Druckluftzufuhr ungehindert ist. Die bremsende Kammer ist vorteilhaft gedrosselt an die Umgebung geschaltet.
Zur Drosselung kann eine Drossel als eine separate oder optional in ein Schaltventil integrierte Drossel dienen. Es versteht sich, dass ein Drosseleffekt vorteilhaft auch durch ein getaktetes Schalten des Schaltventils, z.B. in einer Art Pulsweitenmodulation oder Pulspausenmodulation, zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung erreicht werden kann.
Ein vorteilhaftes charakteristisches Kriterium der erfindungsgemäßen Steuerung oder Regelung ist, dass der pneumatische Aktor unabhängig von der Kolbenposition anhand einer oder mehrerer zeitlicher Bedingungen geregelt wird. Eine Positionsmessung ist nicht erforderlich, d.h. eine Adaption an veränderte Lastverhältnisse, Druckverhältnisse oder dergleichen ist leichter realisierbar.
Eine vorteilhafte zeitliche Bedingung zur Steuerung oder Regelung des pneumatischen Aktors ist die Gesamtfahrzeit, die der Kolben zum Fahren an die jeweilige Endposition benötigt. Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Gesamtfahrzeit diejenige Zeit ist, die der Kolben für eine Fahrt von einer Position zur anderen Endposition benötigt. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass sich die Gesamtfahrzeit auf einen Teilabschnitt der Fahrzeit von einer Aus gangsposition entlang eines möglichen Fahrwegs des Kolbens zur jeweiligen Endposition beziehen kann, d.h. dass die Gesamtfahrzeit von dieser Ausgangsposition bis Erreichen der Endposition gemessen wird.
Vorteilhaft werden zunächst die Gesamtfahrzeit und der der optimalen Gesamtfahrzeit zugeordnete optimale Bremszeitpunkt ermittelt, die eine Basis für die spätere Steuerung bzw. Regelung des pneumatischen Aktors bilden. Dabei wird eine Bremsphasendauer ermittelt, die eine optimale Gesamtfahrzeit gewährleistet. Die Bremsphasendauer bleibt vorteilhafterweise gleich lang, während der Bremszeitpunkt unter Berücksichtigung des optimalen Bremszeitpunktes und/oder der optimalen Gesamtfahrzeit zur Regelung des Aktors variiert wird. Die Endgeschwindigkeit vend des Kolbens an der Endposition darf dabei die zulässige Endgeschwindigkeit vendzul nicht überschreiten.
Zur Ermittlung eines optimalen Bremszeitpunktes, d.h. eines optimalen Arbeitspunktes des pneumatischen Aktors bei dem optimalen Bremszeitpunkt ist die Endgeschwindigkeit noch unter dem zulässigen Grenzwert vendzul.
Zum Auffinden des optimalen Bremszeitpunktes ist die folgende Vorgehensweise vorteilhaft:
Zunächst wird ein verhältnismäßig früher Bremszeitpunkt eingestellt, z.B. tB = 0 ms. Mithin wird also unmittelbar von der Startposition des Kolbens an mit der vorbestimmten Bremsphasedauer gebremst. Nach Ende der Bremsphase geht der Kolben in die Kriechphase über, in der er sich vollständig an die Endposition am Ende der Fahrbewegung annähert. Der Bremszeitpunkt wird sodann vergrößert, zweckmäßigerweise inkrementell mit einem Zeitinkrement Ti. Bei ansonsten konstanten Randbedingungen, z.B. konstantem Druck aus einer Druckluftquelle, konstanter zu bewegender Masse und dergleichen, verkürzt sich die Gesamtfahrzeit, da der Bremsvorgang später einsetzt. Die Beschleunigungszeit oder Beschleunigungsphase vergrößert sich also inkrementell um das Zeitinkrement Ti. Der Bremszeitpunkt tB wird solange vergrößert, bis die Endgeschwindigkeit vend über einem zulässigen Grenzwert vendzul angestiegen ist. In 3 der Zeichnung ist beispielhaft eine Tabelle dargestellt, die Bremszeitpunkte tB1 bis tB4 im Bereich des optimalen Bremszeitpunktes tBopt liegen, bei dem die optimale Gesamtfahrzeit TGopt erzielt wird:
In der Tabelle gemäß 3 bedeuten

tB: = Bremszeitpunkt
tBopt: = optimaler Bremszeitpunkt
TG: = Gesamtfahrzeit,
TGopt: = optimale Gesamtfahrzeit
vend: = Endlagengeschwindigkeit und
vendzul: = maximale zulässige Endlagengeschwindigkeit, z.B. 200 mm/s.

In der Tabelle gemäß 3 sind Bremszeitpunkte tb1–tb4 bei einer konstanten Bremsphasendauer TB = konstant der Bremsphase B um ein Zeitinkrement Ti von beispielsweise 1 ms variiert.
Zum Optimieren der Gesamtfahrzeit wird zweckmäßigerweise für verschiedene Bremsphasendauern, d.h. mindestens für eine erste und eine zweite Bremsphasendauer, ein optimaler Bremszeitpunkt bzw. eine zugehörige optimale Beschleunigungsphasendauer ermittelt. Zu Beginn der Optimierung ist die Bremsphasendauer beispielsweise 0, d.h. dass unmittelbar nach der Beschleunigungsphase sofort die Kriechphase beginnt. Sodann wird die Bremsphasendauer erhöht, beispielsweise mit einem Inkrement. Zu jeder Bremsphasendauer wird ein zugehöriger op timaler Bremszeitpunkt oder eine optimale Länge einer Beschleunigungsphase ermittelt. Ein vorteilhaftes Abbruchkriterium ist beispielsweise, wenn die Bremsphasendauer etwa der dreifachen Beschleunigungsphasendauer entspricht. TBopt = TA·3
Es wurde festgestellt, dass dann alle prinzipiell für eine Optimierung in Frage kommenden Bremsphasendauern sozusagen durchgespielt sind.
Die ermittelten optimalen Bremszeitpunkte werden zweckmäßigerweise einer Mittelwertbildung, Filterung, Glättung oder dergleichen unterzogen, sodass nicht einzelne stark abweichende Werte für den Bremszeitpunkt das Messergebnis beeinträchtigen.
Die ermittelten, einer jeweiligen Bremsphasendauer zugeordneten optimalen Bremszeitpunkte und/oder Gesamtfahrzeiten werden zweckmäßigerweise anschließend bewertet, um ein Optimum für die Steuerung und Regelung des pneumatischen Aktors zu ermitteln.
Eine sich bei einer vorbestimmten Bremsphasendauer einstellende optimale Gesamtfahrzeit findet Eingang in ein Zeitkriterium, bei der der optimale Bremszeitpunkt in ein Verhältnis zur gesamten Fahrzeit gesetzt wird.
Ein Optimum eines Zeitkriteriums KT für die Gesamtfahrzeit TG
ist z.B. dann erreicht, wenn die Beschleunigung am Arbeitszylinder sich über die Hälfte der Gesamtfahrzeit TG erstreckt. In Formel (2) ist eine dimensionslose Definition des Zeitkriteriums KT vorgesehen, die z.B. von der Länge des Verfahrwegs entkoppelt ist.
Ferner spielt zweckmäßigerweise die Robustheit der Steuerung eine wesentliche Rolle. Dabei wird eine Veränderung des Bremszeitpunktes als eine Störgröße für das System betrachtet. Die Auswirkungen der Veränderung des Bremszeitpunktes auf das Gesamtsystem findet Eingang in ein erstes Robustheitskriterium. Eine Veränderung des Bremszeitpunktes relativ zu dem jeweiligen optimalen Bremszeitpunkt, der für eine jeweilige Bremsphasendauer ermittelt worden ist, soll eine möglichst kleine Veränderung der Gesamtfahrzeit bewirken. Die Bremsphasendauer ist dabei konstant, der Bremszeitpunkt wird variiert. Das erste Robustheitskriterium wird beispielsweise gemäß der nachfolgenden Formel (3) zweckmäßig bestimmt. Wenn sich die Gesamtfahrzeit TG nur gering ändert, wenn der Bremszeitpunkt tB relativ zum optimalen Bremszeitpunkt tBopt verändert wird, ist das erste Robustheitskriterium größer. Wenn der Wert für das erste Robustheitskriterium Rk1 gemäß Formel (3) kleiner 0 ist, wird er zweckmäßigerweise wie "0" bewertet.
Ein weiteres, zweites Robustheitskriterium betrifft die Änderung der Endlagengeschwindigkeit. Wenn sich die Endlagengeschwindigkeit vend nur wenig ändert, wenn der Bremszeitpunkt tB relativ zum optimalen Bremszeitpunkt tBopt verändert wird, ist das zweite Robustheitskriterium optimal. Auch hier wird also zu einer konstanten Bremsphasendauer ermittelt, wie "robust" das System ist. Beispielsweise ist die nachfolgende Formel (4) vorteilhaft:
Das zweite Robustheitskriterium KR2 gemäß Formel (4) wird vorteilhaft mit "0" bewertet, wenn es negativ ist.
Zweckmäßigerweise wird sodann die Gesamtfahrzeit anhand des Zeitkriteriums KT und/oder des ersten Robustheitskriteriums KR1 oder des zweiten Robustheitskriteriums KR2 ermittelt. Vorteilhaft ist dabei, wenn sämtliche Kriterien KT, KR1 und KR2 berücksichtigt werden. vorteilhaft ist es, wenn das Zeitkriterium, das erste und das zweite Robustheitskriterium KR1, KR2 zu einem Gesamtkriterium KG zusammengefasst werden, sodass ein globales Optimum oder Maximum aller Kriterien ermittelbar ist. Dabei ist es denkbar, das Zeitkriterium KT, das erste oder das zweite Robustheitskriterium KR1, KR2 mit Gewichtungsfaktoren zu versehen, beispielsweise wie in der nachfolgenden Formel (5)
bei der ein Gewichtungsfaktor FD eine Dynamik der Fahrbewegung des Aktors betrifft und ein Gewichtungsfaktor FR auf die Robustheit der Regelung bzw. Steuerung gerichtet ist. Man kann also durch Verändern der Gewichtungsfaktoren eher Wert auf eine dynamische, schnelle Bewegung legen oder durch eine stärkere Betonung des Gewichtungsfaktors FR für die Robustheitskriterien ein größeres Gewicht auf die Robustheit des Systems richten. Es versteht sich, dass das abweichend von der Formel (5) dem ersten und dem zweiten Robustheitskriteri um KR1, KR2 auch individuelle Gewichtungsfaktoren zugeordnet werden können.
Wenn nun für aktuelle Druck- und Lastverhältnisse des pneumatischen Aktors mit der obigen Optimierung eine optimale Beschleunigungsphasendauer und Bremsphasendauer aufgefunden worden ist, werden die aufgefundenen Werte zweckmäßigerweise zur Steuerung und/oder Regelung des pneumatischen Aktors verwendet.
Eine dem optimalen Bremszeitpunkt zugeordnete Gesamtfahrzeit wird zweckmäßigerweise als Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll festgelegt. Innerhalb der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll soll der Kolben die Fahrbewegung bis zu der jeweiligen Endposition durchführen. Eine Stellgröße wird zweckmäßigerweise durch den Bremszeitpunkt tBopt gebildet oder, in einer anderen Definition, durch die Länge einer der Bremsphase vorgelagerten Beschleunigungsphase oder durch die Länge einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit vor der Bremsphase.
Zur Einstellung eines stabilen Regelungszustandes wird zweckmäßigerweise eine obere Grenze TGsollo der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll und eine untere Grenze TGsollu der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll definiert. Ausgehend von einer tolerierbaren Sollzeitspanne ΔTGsoll, die z.B. gemäß der Formel (6) ΔTGsoll = (TGopt(tBopt – Ti) – TGopt)·1.2 (6)definiert ist, können die untere Grenze TGsollu der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll TGsollu = TGopt – ΔtGsoll·0.1 (7) und die obere Grenze TGsollo der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll TGsollo = TGopt + ΔtGsoll·0.9 (8)festgelegt werden.
Bei den Formeln (6)–(8) ist ein Toleranzbereich von etwa 20% berücksichtigt. Es versteht sich, dass der Toleranzbereich auch kleiner oder größer gewählt werden kann. In der Praxis hat sich der Toleranzbereich von 20% jedoch bewährt. Zweckmäßigerweise schafft es die Steuerung/Regelung innerhalb von zwei benachbarten Schritten mit einem Zeitinkrement Ti des Bremszeitpunkts tB den Toleranzbereich der Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll zu erreichen. Vorteilhaft gelingt es sogar innerhalb von zwei benachbarten Schritten, die Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll einzustellen.
Ein erfindungsgemäßer Regler, beispielsweise ein Proportionalregler, ein Integralregler oder ein Proportional-Integralregler (PI), verwendet zweckmäßigerweise als Stellzeitpunkt den Bremszeitpunkt und eine dem optimalen Bremszeitpunkt zugeordnete Gesamtfahrzeit TG als Regelgröße.
Beim Regeln einer aktuellen Fahrbewegung wird beispielsweise der Bremszeitpunkt für diese Fahrbewegung anhand der Endgeschwindigkeit vend des Kolbens bei mindestens einer vorhergehenden Fahrbewegung und/oder einer für die mindestens eine vorhergehende Fahrbewegung benötigte Fahrzeit, beispielsweise die Gesamtfahrzeit TG ermittelt. Die Regelgröße ist beispielsweise die Soll-Gesamtfahrzeit TG, die Stellgröße der Bremszeitpunkt tB oder die Länge der Beschleunigungsphase, die der Bremsphase vorausgeht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Regler ein P-Regler (Proportionalregler) ist, der aus einer Regelabweichung eines vorhergehenden Zyklusses (Index: "zyk – 1") eine proportionale Änderung des Stellsignals tB(zyk) für den anstehenden Zyklus (Index: "zyk") berechnet. tB(zyk) = tB(zyk – 1) – (TGopt – TG(zyk – 1))·KP (9)
Beispielsweise bei Veränderung der äußeren Randbedingungen, z.B. erhöhter Reibung, vergrößerter anzutreibender Last, veränderten Druckverhältnissen oder dergleichen, können die einmal ermittelten und optimierten Werte zur Regelung und Steuerung des pneumatischen Aktors ungültig oder ungünstig sein. Es besteht ein Risiko, dass der pneumatische Aktor beschädigt wird. Hier greifen vorteilhaft die nachfolgenden Maßnahmen:
Zweckmäßigerweise ist mindestens ein Kontrollmittel oder mindestens eine Kontrolleinrichtung vorgesehen, um solche Beschädigungen zu vermeiden und vorzugsweise den Regler neu einzustellen bzw. zu optimieren, wenn sich die Betriebszustände ändern.
Zweckmäßigerweise überwacht ein Kontrollmittel die Endgeschwindigkeit vend des Kolbens an der Endposition. Falls die Endgeschwindigkeit vend um einen vorbestimmten Überschreitungswert, beispielsweise 10%, zu groß ist, wird der Regler außer Kraft gesetzt und beispielsweise die Beschleunigungszeit um einen vorbestimmten Wert, beispielsweise 10% verringert. Beispielsweise wird der Bremszeitpunkt tB sozusagen als "Notmaßnahme" auf einen geringeren Wert eingestellt bzw. wird dem Regler ein geringerer Soll-Bremszeitpunkt tBsoll vorgegeben. Der Regler, beispielsweise der P-Regler, PI-Regler oder I-Regler, regelt in den darauffolgenden Arbeitszyklen wieder an den optimalen Bremszeitpunkt tBopt heran.
Ferner ist es zweckmäßig, die Bremsfunktion zu überprüfen. Beispielsweise setzt die Bremsphase durch geänderte Druckverhältnisse oder Lastverhältnisse zu früh oder zu spät ein. der Regler vergleicht beispielsweise den bei einer Fahrbewegung eingestellten Bremszeitpunkt tB mit dem an sich einzuhaltenden optimalen Bremszeitpunkt tBopt. Weicht der jeweilige Bremszeitpunkt von dem optimalen Bremszeitpunkt um ein vorbestimmtes Maß ab, wird die Fahrbewegung beispielsweise als nicht erfolgreich gewertet. Beispielsweise wird als erlaubtes Abweichungsmaß eine Abweichung von 10% festgelegt.
Ferner ist es zweckmäßig, die bei einer Fahrbewegung oder einer Gruppe von Fahrbewegungen ermittelte Gesamtfahrzeit mit der Soll-Gesamtfahrzeit zu vergleichen. Wenn diesbezüglich die Abweichung mehr als 10% oder 15% ist, wird die jeweilige Fahrbewegung als "nicht erfolgreich" gekennzeichnet. Sodann ist es vorteilhaft, die nicht-erfolgreichen Fahrbewegungen mit den erfolgreichen Fahrbewegungen zu vergleichen. Beispielsweise werden die Fahrbewegungen in einem Beobachtungszeitraum einander gegenübergestellt. Ferner ist es denkbar, die Fahrbewegungen zu zählen und nach einer jeweils vorbestimmten Anzahl von Fahrbewegungen eine Quote von nicht-erfolgreichen Fahrbewegungen zu erfolgreichen Fahrbewegungen zu bilden. Wenn die Quote ein vorbestimmtes Maß unterschreitet, d.h. wenn verhältnismäßig viele nicht-erfolgreiche Fahrbewegungen stattgefunden haben, wird zweckmäßigerweise der oben genannte Optimierungsvorgang neu gestartet. Dann wird z.B. in der obengenannten Art anhand von Zeitkriterien und/oder Robustheitskriterien ein optimaler Bremszeitpunkt tB oder eine optimale Länge der Bremsphase vorausgehenden Beschleunigungsphase ermittelt. Auf diesem Weg werden dann neue Soll-Werte generiert, beispielsweise eine neue Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll, ein neuer optimaler Bremszeitpunkt tBopt, der der Soll-Gesamtfahrzeit zugeordnete ist und dergleichen.
Es versteht sich, dass der Optimierungslauf auch bei anderen Kriterien neu angestoßen werden kann, beispielsweise, wenn die Endgeschwindigkeit des Kolbens an der Endposition die maximal zulässige Endgeschwindigkeit um ein bestimmtes Maß überschreitet.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, eine Mittelwertbildung, Filterung, Glättung oder dergleichen bei Werten durchzuführen, die eine Entscheidungsbasis für eine neue Optimierung bilden können, so dass nicht einzelne Werte, die beispielsweise auf Grund ungünstiger Randbedingungen entstanden sind oder auf Messfehlern beruhen, zu einer erneuten Optimierung führen.
Ferner ist es vorteilhaft, bei einer Neu-Optimierung nicht einen vollständigen Wertebereich zu durchlaufen, beispielsweise nicht bei einer Bremsphasendauer von 0 zu beginnen, sondern das Fahrverhalten des Kolbens bei Bremsphasendauern zu überprüfen, die in der Nähe der aktuell gültigen Bremsphasendauer liegen. Vorteilhaft wird z.B. die aktuelle gültige Bremsphasendauer TB in einem Wertebereich von TB/2 bis zur doppelten aktuell gültigen Bremsphasendauer 2·TB variiert.
Das erfindungsgemäße Steuermodul kann in Hardware und/oder Software realisiert sein. Vorteilhafterweise enthält das erfindungsgemäße Steuermodul zumindest teilweise durch einen Prozessor ausführbaren Programmcode. Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Speichermittel, auf dem der Programmcode des Steuermoduls gespeichert ist, beispielsweise eine Diskette, eine CD-ROM, eine DVD oder dergleichen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem pneumatischen Zylinder sowie einer Ventilanordnung und einem Steuermodul,
2 mehrere Geschwindigkeitsverläufe in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bremszeitpunkt tB,
3 eine Messwerttabelle für Bremszeitpunkte tB1 bis tB4 in der Nähe eines optimalen Bremszeitpunktes tBopt, und
4 ein schematisches Ablaufdiagramm für das Steuermodul gemäß 1.
Bei einer pneumatischen Anordnung 10 ist ein pneumatischer Aktor 11, beispielsweise ein Linearantrieb oder Zylinder 12, mit einer Ventilanordnung 13 pneumatisch ansteuerbar. Die Ventilanordnung 13 ihrerseits wird durch ein Steuermodul 14 gesteuert. Ein Kolben 15, an dem eine als Kraftabgriff dienende Kolbenstange 16 angeordnet ist, ist in einem Bewegungsraum 9 eines Aktorgehäuses 17 hin und her beweglich. Der Kolben 16 teilt einen Innenraum des Gehäuses 17 in Kammern 18, 19. In einer etwas allgemeineren Formulierung könnte man den Kolben 15 auch als Aktorglied bezeichnen.
Mit der Ventilanordnung 13 sind Druckverhältnisse in den Kammern 18, 19 einstellbar, um den Kolben 15 entlang einer Bewe gungsbahn oder Fahrstrecke FS zwischen einer ersten und zweiten Endposition 20, 21 hin und her zu bewegen.
Die Fahrstrecke FS und eine zugeordnete Zeitmessung beginnt vorliegend jeweils bei einer der Endpositionen 20, 21. Es versteht sich, dass auch eine Position zwischen den Endpositionen 20, 21 eine Ausgangsposition und somit den Beginn einer Fahrstrecke und einer zugeordneten Zeitmessung markieren kann, z.B. eine Ausgangsposition 20' als Beginn einer Fahrstrecke FS'.
Bei einer Fahrbewegung von einer Endposition 20 zur anderen Endposition 21 oder umgekehrt durchläuft der Kolben 15 zunächst eine Beschleunigungsphase A mit einer Beschleunigungsphasendauer TA, sodann eine Bremsphase B mit einer Bremsphasendauer TB und schließlich eine Kriechphase K mit einer Kriechphasendauer TK, bei der sich der Kolben 15 in einer Kriechgeschwindigkeit die jedenfalls unterhalb einer maximal zulässigen Endgeschwindigkeit vendzul liegen soll, an die jeweilige Endposition 20, 21 an. Das erfindungsgemäße Verfahren, das nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird, ist prinzipiell bei der Endposition 20 zur Endposition 21 oder umgekehrt anwendbar. Zunächst wird der Bewegungsablauf von der Endposition 20 zur Endposition 21 näher beschrieben: Während der Beschleunigungsphase A ist ein Schalt-Ventil 22, beispielsweise ein 3/2-Ventil, in einer Durchlassstellung, bei der Druckluft aus einer Druckluftquelle 23 über eine Leitung 24 durch das Schalt-Ventil 22 hindurch und über einen Druckluftanschluss 25 in die Kammer 18 einströmen kann. Die Kammer 18 bildet in diesem Fall eine treibende Kammer. Die Kammer 19 hingegen bildet eine später "bremsende" Kammer, aus der Luft über einen Druckluftanschluss 26 ausströmt. Ein Schalt-Ventil 27, zweckmäßigerweise ebenfalls ein 3/2-Ventil, ist dabei in einer Schaltstellung, bei der die aus der Kammer 19 ausströmende Luft über einen Zweig 28a einer Leitung 28 zu einem Ventil 29 strömen kann. Das Ventil 29 ist einer Schaltstellung, bei der die aus der Kammer 19 ausströmende Luft in die Umgebung ausströmen kann, zweckmäßigerweise über einen Schalldämpfer 30. Prinzipiell kann die Luft auch von der Leitung 28 zu einem Zweig 28b verzweigen und über eine Drossel 31 ins Freie strömen. Die Drossel 31 hat einen größeren Widerstand als der Schalldämpfer 30, so dass der größere Teil der Luft über den Schalldämpfer 30 aus der Kammer 19 während der Beschleunigungsphase A ausströmt.
Zu einem Bremszeitpunkt tB schaltet das Steuermodul 14 über entsprechende Ausgangssignale an einer Steuer-Schnittstelle 32 die Ventilanordnung 13 in eine Bremsstellung. Die Steuersignale gehen über Leitungen 33, 34, 35 zu den Ventilen 22, 27 und 29. Bei der Bremsphase bleibt das Ventil 22 in der Stellung, die es bereits in der Beschleunigungsphase aufweist, so dass die Kammer 18 mit der Druckluftquelle 23 verbunden bleibt. Das Steuermodul 14 schaltet hingegen das Ventil 27 um, so dass die Kammer 19 über eine Leitung 36 mit einer Rückschlagventilanordnung 37 verbunden ist. Aus der Kammer 19 ausströmende Druckluft kann über eine Drossel 38 der Rückschlagventilanordnung 37 zur Druckluftquelle 23 zurückströmen. Ein zu der Drossel 38 parallel geschaltetes Rückschlagventil 39 ist in Sperrstellung, so dass die Luft aus der Kammer 19 den Weg über die Drossel 38 nehmen muss.
Wenn die Bremsphase B abgeschlossen ist, bewegt sich der Kolben 15 ab einem Zeitpunkt tK weiter zur Endposition 21, die der Kolben 15 dann mit einer Endlagengeschwindigkeit oder vereinfacht Endgeschwindigkeit vend erreicht.
Zur Einstellung der Kriechphase K steuert das Steuermodul 14 die Ventilanordnung 13 in eine Kriechphasenstellung, bei der das Ventil 22 weiterhin die „treibende" Kammer 18 mit der Druckluftquelle 23 in Verbindung hält. Das Ventil 27 ist in einer Schaltstellung, bei der Luft aus der Kammer 19 zur Leitung 28 strömen kann. Das Ventil 29 ist jedoch in einer Schaltstellung, bei der die Druckluft nicht über den Zweig 28a und den Schalldämpfer 30 in die Umgebung entweichen kann, sondern über den Zweig 28b zur Drossel 31 strömt. Die Drossel 31 bremst jedoch den Druckluftaustritt aus der bremsenden Kammer 19, so dass der Kolben 15 mit im Wesentlichen konstanter, sich jedoch zweckmäßigerweise zumindest geringfügig verringernder Geschwindigkeit V einen letzten Wegabschnitt des Weges FS bis zur Endposition 21 fährt.
Bei einer Bewegung von der Endposition 21 zur Endposition 20 wird der Kolben 15 wiederum in eine Beschleunigungsphase A beschleunigt, in einer Bremsphase B gebremst und gelangt schließlich im Rahmen einer Kriechphase K zur ersten Endposition 20. Bei dieser Fahrbewegung ist während der Beschleunigungsphase B nunmehr die Kammer 19 die treibende Kolbenkammer. Das Ventil 27 ist in einer solchen Schaltstellung, dass Druckluft aus der Druckluftquelle 23 über das nunmehr in Durchlassstellung befindliche Rückschlagventil 39 in die Kammer 19 einströmen kann. Das Ventil 22 hingegen verbindet die Kammer 18 über eine Leitung 40 mit einer Drossel 41. Allerdings strömt die Luft aus der Leitung 40 im Wesentlichen nicht über die Drossel 41, sondern über das Ventil 29 zum Schalldämpfer 30 und von dort in die Umgebung. Das Ventil 29 befindet sich in einer entsprechenden Schaltstellung.
In der nachfolgenden Bremsphase B steuert das Steuermodul 14 das Ventil 22 in eine solche Schaltstellung, dass die Kammer 18 über eine Rückschlagventilanordnung 42 mit der Druckluft quelle 23 verbunden ist. Die Luft aus der Kammer 18 kann nicht über ein sich aufgrund des Luftstroms sperrendes Rückschlagventil 44 strömen, sondern strömt über eine Drossel 43 der Rückschlagventilanordnung 42 zur Druckluftquelle 23.
In der nachfolgenden Kriechphase K übernimmt die Drossel 41 dieselbe Funktion, wie zuvor die Drossel 31. Das Ventil 22 leitet die aus der Kammer 18 ausströmende Luft in die Leitung 40. Das Ventil 29 ist in einer Sperrstellung und verhindert somit, das Luft aus der Leitung 40 in die Umgebung ausströmen kann. Die Luft strömt somit gedrosselt durch die Drossel 41 in die Umgebung, so dass der Kolben 15 mit langsamer Fahrt, d.h. in Kriechgeschwindigkeit in Richtung der Endposition 20 fährt.
Die Drosselung der aus der jeweils bremsenden Kammer 18 oder 19 austretenden Luft durch die Drosseln 38 und 43 ist zur Anpassung an die pneumatische Widerstände vorteilhaft, beispielsweise das jeweilige Verhältnis zwischen der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens 15 und dem pneumatischen Widerstand der Ventile 22 oder 27. Die Drossel 43 und somit das antiparallel geschaltete Rückschlagventil 44 ist beispielsweise optional, da die volle, nicht durch die Kolbenstaänge 16 verringerte Wirkfläche des Kolbens 15 bei der Fahrt von der Endposition 21 zur Endposition 20 zur Verfügung steht.
Anstelle der Drosseln 31 und 41 könnte das Ventil 29 auch getaktet, z.B. in einer Art Pulsweitenmodulation oder Pulspausenmodulation, zwischen einer Durchlass- und einer Sperrstellung schalten, um bei der Bremsphase B ein Austreten der Luft aus der jeweils bremsenden Kammer 18 oder 19 in die Umgebung zu begrenzen oder zu drosseln.
Das Steuermodul 14 steuert und regelt die Bewegungen des Kolbens 15 bei seinen Fahrbewegungen zwischen den Endpositionen 20, 21 in der oben beschriebenen Art.
Das Steuermodul 14 enthält einen Controller oder Prozessor 45, der Programmcode eines Steuerprogramms 46 ausführt. Das Steuerprogrammmodul oder Steuerprogramm 46 ist in einem Speicher 47 gespeichert und umfasst ein Optimierungsmodul 48, das ein Optimierungsmittel 49 bildet, sowie ein Regelungsmodul 50, das ein Steuermittel 51 bildet. Das Optimierungsmodul 48 ermittelt optimierte Sollwerte und Regelwerte für das Regelungsmodul 50, beispielsweise in der eingangs genannten Art unter Zuhilfenahme der Formeln (1) bis (5) für die Optimierung, und anhand der Formeln (6) bis (8). Das Regelungsmodul 50 regelt dann die Fahrbewegungen des Kolbens 15 anhand eines Regelungsalgorithmusses. Beispielsweise arbeitet das Regelungsmodul 50 als ein P-Regler. Beispielsweise wendet das Regelungsmodul 50 die Formel (9) an.
Eine alternative Vorgehensweise sieht vor, dass beispielsweise ein Personalcomputer 52 ein Optimierungsmodul 48' ausführt, das prinzipiell der Funktionsweise des Optimierungsmoduls 48 entspricht und Reglerwerte bzw. Sollwerte an das Steuermodul 14 über eine Datenleitung 53 sendet.
Das Optimierungsmodul steuert über die Steuer-Schnittstelle 32 die Ventilanordnung 13 während des Optimierens an, das vorteilhaft folgendermaßen verläuft.
Während des Optimierens wird der Kolben 15 in der Beschleunigungsphase TA beschleunigt, in der Bremsphase TB gebremst und in der Kriechphase K mit Schleichgeschwindigkeit zur Endposition 21 weiterbewegt. Eine vollständige Fahrbewegung über die Strecke FS enthält somit die Phasen A, B und K. Wenn die Be schleunigungsphasendauer TA länger ist, mithin der Bremszeitpunkt tB später ist, wird der Kolben 15 zu einer höheren Geschwindigkeit v beschleunigt.
In einem Optimierungsschritt SO1 wird zunächst eine Bremsphasendauer TB = 0 angenommen. Die Bremsphase B beginnt zweckmäßigerweise unmittelbar bei der Anfangsposition der Fahrbewegung, beispielsweise der ersten Endposition 20. Somit sind die Beschleunigungsphasendauer TA und Bremsphasendauer TB jeweils = 0. Es versteht sich, dass zweckmäßigerweise auch bei Werten von TA > 0 nd TB > 0 begonnen werden kann. Somit wird also in dem Schritt SO1 eine Bremsphasendauer TB festgelegt.
In einem Schritt SO2 verlängert das Optimierungsmodul 48 die Beschleunigungsphase TA bzw. verändert den Bremszeitpunkt tb und verlagert diesen auf einen späteren Zeitpunkt, beispielsweise um ein Zeitinkrement Ti. Somit setzt die Bremsphase B Schritt für Schritt später ein, wodurch sich die Endgeschwindigkeit vend des Kolbens 15 an der zweiten Endposition 21 erhöht. In einem Überprüfungsschritt SO3 überprüft das Optimierungsmodul 48, ob die Endgeschwindigkeit vend die maximal zulässige Endgeschwindigkeit vendzul überschreitet. Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Bremszeitpunkt tB um ein Zeitinkrement Ti vergrößert und der Schritt SO2 wiederholt. Bei den in 3 dargestellten Bremszeitpunkt tB1 und tB2 ist beispielsweise die Endgeschwindigkeit vend kleiner als die maximal zulässige Endgeschwindigkeit vendzul. Bei einem Bremszeitpunkt tB3 hingegen ist die maximal zulässige Endgeschwindigkeit vendzul erreicht. Dies entspricht einem optimalen Bremszeitpunkt tBopt für eine festgelegte Bremsphasendauer TB. Wenn die Zeitspanne bis zum Einsetzen des Bremsvorganges weiter vergrößert wird, wie beispielsweise bei einem Bremszeitpunkt tB4 der Fall, ist die maximal zulässige Endge schwindigkeit vendzul des Kolbens 15 überschritten. Dies wird beispielsweise auch im Diagramm gemäß 2 deutlich.
Das Steuermodul 14 erfasst die jeweilige Endgeschwindigkeit vend des Kolbens 15 bei den Endpositionen 20, 21 mit Sensoren 54 bis 57, die den Endpositionen 20, 21 zugeordnet sind. Die Sensoren 54 und 56 sind End-Sensoren, die die Endlage des Kolbens bei der jeweiligen Endposition 20, 21 detektieren. Die Sensoren 55, 57 sind Vor-Sensoren, die den End-Sensoren 54, 56 vorgelagert sind. Das Steuermodul 14 ermittelt aus der Zeit, die der Kolben 15 für einen Fahrweg zwischen den Sensoren 55 und 54 bzw. 57 und 56 benötigt, die jeweilige Endgeschwindigkeit des Kolbens 15 bei den Endpositionen 20, 21, z.B. anhand der Formel (1).
In einem Schritt SO4 speichert das Optimierungsmodul 48 im Speicher 47 die Werte für die der aktuellen Bremsphasendauer TB zugeordnete Gesamtfahrzeit TG und vorteilhaft auch den zugeordneten optimalen Bremszeitpunkt tBopt, z.B. Bremsphasendauern TB1 und TB2 sowie diesen zugeordnete Gesamtfahrzeiten TG1, TG2 und optimale Bremszeitpunkte tBopt1, tBopt2.
In einem Schritt SO5 vergrößert das Optimierungsmodul 48 die Bremsphasendauer TB zweckmäßigerweise um ein Zeitinkrement. Dieses Zeitinkrement kann unterschiedlich von dem Zeitinkrement Ti sein. In einem Schritt SO6 vergleicht das Optimierungsmodul 48 die Bremsphasendauer TB die zuvor inkrementell vergrößert worden ist, mit einem Abbruchkriterium TBab für die Bremsphasendauer. Das Abbruchkriterium TBab ist beispielsweise dann erfüllt, wenn die Länge einer optimalen Bremsphase tBopt etwa der dreifachen Länge der Beschleunigungsphase TA entspricht. Wenn das Abbruchkriterium TBab noch nicht erfüllt ist, verzweigt das Optimierungsmodul 48 wieder zum Schritt SO1.
In einem Schritt SO7 bewertet das Optimierungsmodul 48 die einer jeweiligen Bremsphasendauer TB zugeordneten optimalen Bremszeitpunkte tBopt und/oder Gesamtfahrzeiten TG, beispielsweise die Bremsphasendauern TB1 und TB2, die zugeordnete Gesamtfahrzeiten TG1, TG2 und optimalen Bremszeitpunkte tBopt1, tBopt2, vorteilhaft anhand der in den Formeln (2) bis (5) festgelegten Kriterien. Dabei wird eine Veränderung des Bremszeitpunktes um beispielsweise ΔtB als eine Störgröße angesehen.
In einem Schritt SO9 gibt das Optimierungsmodul 48 Reglerwerte an das Regelungsmodul 50 aus, vorteilhaft einen optimalen Bremszeitpunkt tBopt, eine sich dabei einstellende Soll-Gesamtfahrzeit TGsoll als Sollgröße sowie zugehörige obere und untere Grenzwerte Tgsollo, TGsollu für die Gesamtfahrzeit TG, beispielsweise gemäß den Formeln (6) bis (8).
Das Regelungsmodul 50 regelt sodann anhand der von dem Optimierungsmodul erhaltenen Optimierungsmodul 48 erhaltenen Werte die Bewegungen des Kolbens 15. Es versteht sich, dass für jede Fahrbewegung von den Endpositionen 20 zu 21 und umgekehrt jeweils individuelle Reglerwerte zweckmäßig zugrunde gelegt werden. Das Regelungsmodul 50 enthält z.B. einen gemäß Formel (9) arbeitenden P-Regler.
Ein Kontrollmodul 59 kontrolliert von dem Regelungsmodul 50 ausgegebene Werte zur Steuerung des Aktors 11.
Wenn das Kontrollmodul 59 beispielsweise feststellt, dass die Endgeschwindigkeit vend um einen Überschreitungswert W zu groß ist, gibt es anstelle des von dem Regelungsmodul 50 vorgegebenen Bremszeitpunktes tB einen früheren Bremszeitpunkt vor. Ferner ist das Kontrollmodul 59 zweckmäßigerweise als eine Kontroll- und Optimierungsinstanz ausgestaltet. Wenn beispielsweise Randbedingungen sich ändern, zum Beispiel der von der Druckluftquelle 23 bereit gestellte Druck höher wird oder eine an der Kolbenstange 16 angeordnete Last geändert ist, verändern sich die Betriebsbedingungen.
Das Kontrollmodul 59 bewertet zweckmäßigerweise jede Fahrbewegung, insbesondere jede vollständige Fahrbewegung des Kolbens 15 und ruft beispielsweise dann das Optimierungsmodul 48 zu einem erneuten Optimierungslauf auf, wenn das Verhältnis von nicht erfolgreichen Fahrbewegungen, zum Beispiel wenn die Gesamtfahrzeit TGopt nicht innerhalb eines vorbestimmten Korridors getroffen ist, zu den erfolgreichen Fahrbewegungen, bei denen die optimalen Fahrwerte erreicht werden, verschlechtert ist. Dabei kann beispielsweise der Startwert für die Bremsphasendauer TB beim Schritt SO größer gewählt werden, als beim erstmaligen Optimierungslauf der oben beschrieben worden ist.

Claims

Verfahren für eine Fahrbewegung eines Kolbens (15) eines pneumatischen Aktors (11) an eine Endposition (20, 21), wobei der Kolben (15) einen Bewegungsraum (9) eines Aktor-Gehäuses (17) in Kammern (18, 19) teilt, mit einer durch ein Steuermodul (14) angesteuerten Ventilanordnung (13) zur Einstellung pneumatischer Druckverhältnisse in den Kammern (18, 19) für eine Bremsphase (B), in der der Kolbens (15) abgebremst wird, und für eine sich an die Bremsphase (B) anschließende Kriechphase (K), in der der Kolben (15) mit einer Kriechgeschwindigkeit an die Endposition (20, 21) fährt, gekennzeichnet durch: – Verändern eines Bremszeitpunkts, an dem die Bremsphase (B) während der Fahrbewegung des Kolbens (15) vor Erreichen der Endposition (20, 21) beginnt, – Erfassen einer einem jeweiligen Bremszeitpunkt zugeordneten Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) an der Endposition (20, 21), – Ermitteln eines optimalen Bremszeitpunkts (tBopt), bei dem die Endgeschwindigkeit (vend) im Bereich einer maximal zulässigen Maximal-Endgeschwindigkeit (vendzul) liegt und diese nicht überschreitet, und – Steuern oder Regeln des pneumatischen Aktors (11) anhand des optimalen Bremszeitpunkts (tBopt) oder einer von dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) abhängigen Größe.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge einer mit dem Bremszeitpunkt beginnenden Bremsphase (B) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Ermitteln einer zumindest die Bremsphase (B) und die Kriechphase (K) umfassenden Gesamtfahrzeit (TG) des Kolbens (15) in Abhängigkeit von dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfahrzeit (TG) eine Beschleunigungsphase (A), die Bremsphase (B) und die Kriechphase (K) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsphase (A) der Bremsphase (B) unmittelbar vorangeht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Optimieren der Gesamtfahrzeit (TG) zu einer optimalen Gesamtfahrzeit (TGopt) durch Verändern der Bremsphasendauer (TB) und/oder der Beschleunigungsphasendauer (TA) einer der Bremsphase vorhergehenden Beschleunigungsphase (A), und durch Ermitteln eines der jeweiligen Beschleunigungsphasendauer (TA) oder Bremsphasendauer (TB) zugeordneten optimalen Bremszeitpunkts (tBopt).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Optimieren der Gesamtfahrzeit (TG) ein Zeitkriterium (KT) ausgewertet wird, bei dem der optimale Bremszeitpunkt (tBopt) in ein Verhältnis zu der Gesamtfahrzeit (TG), insbesondere einer optimalen der Gesamtfahrzeit (TGopt), gesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Optimieren der Gesamtfahrzeit (TG) ein erstes Robustheitskriterium (KR1) ermittelt wird, bei dem eine Veränderung eines Bremszeitpunkts relativ zu dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt), der für eine jeweilige Bremsphasendauer (TB) ermittelt worden ist, eine geringere Veränderung der Gesamtfahrzeit (TG), insbesondere der optimalen der Gesamtfahrzeit (TGopt), bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Optimieren der Gesamtfahrzeit (TG) ein zweites Robustheitskriterium (KR2) ermittelt wird, bei dem eine Veränderung eines Bremszeitpunkts relativ zu dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt), der für eine jeweilige Bremsphasendauer (TB) ermittelt worden ist, eine geringere Veränderung der Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) an der Endposition (20, 21) bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Auswählen derjenigen Bremsphasendauer (TB) oder Beschleunigungsphasendauer (TA) und desjenigen jeweils zugeordneten optimalen Bremszeitpunkts (tBopt) bei dem das Zeitkriterium (KT) und/oder das erste Robustheitskriterium (KR1) und/oder das zweite Robustheitskriterium (KR2) optimal sind.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Auswählen optimalen Bremsphasendauer (TB) oder optimalen Beschleunigungsphasendauer (TA) ein Optimum eines Gesamtkriteriums ermittelt wird, das das Zeitkriterium (KT), das erste Robustheitskriterium (KR1) und das zweite Robustheitskriterium (KR2) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch Gewichten des Zeitkriteriums (KT) und/oder des ersten Robustheitskriteriums (KR1) und/oder des zweiten Robustheitskriteriums (KR2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatischen Aktor (11) unabhängig von der Position des Kolbens (15) anhand mindestens einer zeitlichen Bedingung, insbesondere anhand der für eine Fahrbewegung benötigten Gesamtfahrzeit (TG), gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Regeln der Fahrbewegung durch Verändern des Bremszeitpunkts für eine bevorstehende Fahrbewegung anhand der Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) bei mindestens einer vorhergehenden Fahrbewegung und/oder einer für die mindestens eine vorhergehende Fahrbewegung benötigten Fahrzeit, insbesondere der Gesamtfahrzeit (TG).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Regeln als Stellgröße der Bremszeitpunkt anhand der dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) zugeordneten Gesamtfahrzeit (TG) als Regelgröße verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) zugeordnete Gesamtfahrzeit (TG) eine Soll-Gesamtfahrzeit (TGsoll) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erneutes Optimieren der Gesamtfahrzeit (TG), wenn mindestens eine bei einer Fahrbewegung oder bei einer Gruppe von Fahrbewegungen des Kolbens (15) ermittelte Gesamtfahrzeit (TG) um ein vorbestimmtes Maß von der Soll-Gesamtfahrzeit (TGsoll) und/oder der dabei eingestellte Bremszeitpunkt um ein vorbestimmtes Maß von dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Verringern der Beschleunigungsphasendauer (TA) und/oder Verlängern der Bremsphasendauer (TB), wenn die Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) an der Endposition (20, 21) die maximal zulässige Maximal-Endgeschwindigkeit (vendzul) um einen vorbestimmten Überschreitungswert (W) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch inkrementelles Verändern des Bremszeitpunkts und Ermitteln des optimalen Bremszeitpunkts (tBopt) so, dass der Bremszeitpunkt zumindest um ein Zeitinkrement (Ti) unter einem Bremszeitpunkt (tB4) liegt, bei dem die Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) die Maximal-Endgeschwindigkeit (vendzul) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede Bewegungsrichtung des Kolbens (15) separat durchgeführt wird.
Steuermodul (14) für einen pneumatischen Aktor (11) zum Steuern einer Fahrbewegung eines Kolbens (15) des pneumatischen Aktors (11) an eine Endposition (20, 21), wobei der Kolben (15) einen Bewegungsraum (9) eines Aktor-Gehäuses (17) in Kammern (18, 19) teilt, mit einer Steuer-Schnittstelle (32) für eine Ventilanordnung (13) zur Einstellung pneumatischer Druckverhältnisse in den Kammern (18, 19) für eine Bremsphase (B), in der der Kolbens (15) abgebremst wird, und für eine sich an die Bremsphase (B) anschließende Kriechphase (K), in der der Kolben (15) mit einer Kriechgeschwindigkeit an die Endposition (20, 21) fährt, gekennzeichnet durch Optimierungsmittel (49) zum – Verändern eines Bremszeitpunkts, an dem die Bremsphase (B) während der Fahrbewegung des Kolbens (15) vor Erreichen der Endposition (20, 21) beginnt, – Erfassen einer einem jeweiligen Bremszeitpunkt zugeordneten Endgeschwindigkeit (vend) des Kolbens (15) an der Endposition (20, 21), und – Ermitteln eines optimalen Bremszeitpunkts (tBopt), bei dem die Endgeschwindigkeit (vend) im Bereich unterhalb einer maximal zulässigen Maximal-Endgeschwindigkeit (vendzul) liegt, und durch – Steuermittel (51) zum Steuern oder Regeln des pneumatischen Aktors (11) anhand des optimalen Bremszeitpunkts (tBopt) oder einer von dem optimalen Bremszeitpunkt (tBopt) abhängigen Größe.
Steuermodul (14) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise von durch einen Prozessor (45) ausführbarem Programmcode gebildet ist.
Pneumatischer Aktor (11) mit einem Kolben (15), der einen Bewegungsraum (9) eines Aktor-Gehäuses (17) in Kammern (18, 19) teilt, und mit einem Steuermodul (14) nach Anspruch 21 oder 22.
Pneumatischer Aktor (11) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ihm eine Ventilanordnung (13) zugeordnet ist oder er eine Ventilanordnung (13) umfasst, wobei die Ventilanordnung (13) Ventile (22, 27, 29), insbesondere Schalt-Ventile, zum Verbinden einer treibenden Kammer (18) mit einer Druckluftquelle und zum Sperren der treibenden Kammer (18) und zum Verbinden einer bremsenden Kammer (19) mit einer Drossel oder insbesondere über eine Drossel mit der Druckluftquelle oder zum getakteten Auslassen von Luft aus der bremsenden Kammer (19).