DE102007010558B4

DE102007010558B4 - System und Verfahren zur automatischen Abstimmung von Steuerungsverstärkungen an einer Erdbaumaschine

Info

Publication number: DE102007010558B4
Application number: DE102007010558.6A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Lee Stratton; Randall Dean Pruitt
Original assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: US20070219693A1; DE102007010558A1; US7677323B2

Abstract

Ein Verfahren zur Abstimmung eines Geräts an einer Maschine, welches umfasst: Bestimmung einer Last, welche mit dem Arbeitsgerät in Zusammenhang steht; und die automatische Abstimmung einer Steuerungsverstärkung, die mit dem Gerät assoziiert ist, basierend auf der bestimmten Last.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Steuerungssystem für ein Gerät an einer Erdbaumaschine und, genauer, auf ein System zur automatischen Abstimmung von Steuerungsverstärkungen, die auf hydraulische Mechanismen angewendet werden, die die Bewegung des Geräts bestimmen.
Stand der Technik
Erdbaumaschinen (d. h. Kettenfahrzeuge und/oder Planiermaschinen, wie sie handelsüblich von Caterpillar Inc. verfügbar sind) weisen ein Gerät wie ein Planierraupenschild auf, welches auf einer Baustelle verwendet wird, um das Landschaftsbild eines Geländeabschnitts zu verändern. Das Schild kann durch einen Bediener oder ein Steuerungssystem gesteuert werden, um Arbeit auf der Baustelle durchzuführen. Beispielsweise wird der Bediener einen Hebel bewegen, der die Bewegungen des Geräts durch hydraulische Mechanismen steuert. Das elektrische Signal verursacht eine Bewegung der hydraulischen Mechanismen, und überträgt damit Druck innerhalb eines Zylinders des hydraulischen Mechanismus. Weil die hydraulischen Mechanismen mit dem Gerät verbunden sind, verursacht die Übertragung des Drucks innerhalb des Zylinders eine Bewegung des Schildes in einer mit der Bewegung des Hebels durch den Bediener übereinstimmenden Weise.
Die elektrischen Signale können basierend auf Steuerungsverstärkungsinformationen verändert werden, was die Reaktion des hydraulischen Mechanismus auf die Bewegung des Hebels bestimmt. Wenn die Steuerungsverstärkungsparameter hohen Steuerungsverstärkungen entsprechen, spricht der hydraulische Mechanismus schnell, aber mit geringerer Stabilität an, um den Zylinder in die gewünschte Position zu bewegen. Wenn die Steuerungsverstärkungsparameter jedoch geringen Steuerungsverstärkungen entsprechen, bewegt das elektrische Signal den Zylinder in einer langsameren Rate bzw. Geschwindigkeit, aber in einer stabileren Weise (d. h., mit verringertem Übersteuern und reduzierter Einschwingzeit).
Typischerweise weisen Steuerungsverstärkungen eine proportionale Steuerungsverstärkung (K_p) und eine differentielle Steuerungsverstärkung (K_d) auf, die durch eine Proportional- und Differentialsteuerung berechnet werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das als Steueraufwandhubbefehlsignal bzw Steuereffekthubbefehlsignal (control effort lift command (CELC) signal, bzw. control effect lift command)) bezeichnet wird. Das CELC-Signal wird durch den Proportional- und Differentialsteuerungsschaltkreis insbesondere in Übereinstimmung mit der folgenden Formel berechnet: CELC = K_p·e_bh + K_d·d(e_bh)/dt
In der obigen Gleichung ist K_p die proportionale Steuerungsverstärkung, e_bh ist eine Abweichung in der Schildhöhe zwischen einer Zielhöhe und einer derzeitigen Höhe bzw Isthöhe, K_d ist die differentielle Steuerungsverstärkung, und d(e_bh)/dt ist eine augenblickliche Änderungsrate der Abweichung in der Schildhöhe zwischen einer Zielhöhe und einer derzeitigen Höhe.
Im Allgemeinen werden die Steuerungsverstärkungen (K_d und K_p) von einem Bediener in Abhängigkeit von Bedingungen auf der Baustelle manuell eingestellt. Beispielsweise bestimmen Faktoren wie Gerät- oder Schildlasten, Materialeigenschaften, und Maschinenfahrgeschwindigkeit das Genauigkeitslevel, mit dem das Schild gesteuert wird, und daher die Steuerungsverstärkungen, die mit dieser Schildsteuerung verbunden sind.
Demzufolge werden für eine vorgegebene Kombination solcher Faktoren bestimmte Steuerungsverstärkungen ausgewählt. Wenn jedoch andere Faktoren vorliegen, müssen die Steuerungsverstärkungen für eine gewünschte Antwort des hydraulischen Mechanismus manuell geändert werden.
Das Gewicht des Materials in dem Gerät und die als Ergebnis der Materialeigenschaften auf das Gerät einwirkenden Kräfte resultieren in einer Schwankung der „Dämpfung” des hydraulischen Steuerungssystems. Insbesondere wenn die Maschine in Material wie lockerem Gestein oder Sand betrieben wird, wird die Steuerungsverstärkung derart eingestellt werden, dass sie sich in einem Bereich befindet, der eine stabile Steuerung der Schildlast ermöglicht. Falls die Steuerungsverstärkungen zu hoch eingestellt sind, wird das System möglicherweise nicht in der Lage sein, den Inhalt des Schildes akkurat zu steuern, und dadurch ein Verschütten, ungewollte Furchen in der Baustelle, und/oder Verletzung Anderer verursachen. Andere Materialeigenschaften können Steuerungsverstärkungen mit verschiedenen Werten benötigen, um die Leistung der Maschine zu optimieren. Falls die Baustelle ein geschichtetes Material wie beispielsweise Schiefer aufweist, kann eine übermässige Kraft nötig sein, um solches Material zu durchstossen. Daher können die für das Durchtrennen von geschichtetem Material benötigten Steuerungsverstärkungen möglicherweise höher sein als für Material, welches eine geringere Verstärkung benötigt, beispielsweise loses Gestein oder Sand. Ähnlich sind, falls die Maschinen bei hohen Geschwindigkeiten betrieben werden sollen, hohe Verstärkungen im Vergleich zum Betrieb bei geringen Geschwindigkeiten erwünscht, weil das Steuerungssystem möglicherweise eine stärkere Kontrolle über den Inhalt des Schilds benötigt. Beim existierenden System ist entweder die Spanne der Materialien eingeschränkt, oder eine manuelle Abstimmung ist vonnöten.
Während die manuelle Abstimmung der Steuerungsverstärkungen eine gewisse Spanne der Arbeitsbedingungen ermöglicht, wie in den Faktoren oben erläutert, sind Maschinen gegenwärtig auf die Baustellenbedingungen beschränkt, für die die manuelle Abstimmung vorgenommen wurde. Demzufolge müssen Bediener erfahren und geschickt darin sein zu wissen, wann und welche Abstimmung erforderlich ist, basierend auf den oben beschriebenen Faktoren.
Das US-Patent Nr. 5,560,431 an Stratton et al. offenbart eine automatische Abstimmung von Steuerungsverstärkungen, um wechselnden Bodenprofilen Rechnung zu tragen. Das System von Stratton et al. misst bestimmte Parameter (wie unten beschrieben), so dass eine maximale Produktivität bei der Bewegung von Materialien von einer Baustelle oder der Veränderung einer Landschaft einer Baustelle erreicht werden kann. Das System von Stratton et al. ermittelt eine wahre Fahrgeschwindigkeit einer Erdbaumaschine (z. B. einer Planierraupe). Das System misst auch eine Winkelgeschwindigkeit der Maschine ab und misst die Position eines in einem Erdbaugerät (z. B. einem Planierraupenschild) eingebauten Hubaktuators. Zusätzlich wird der Betrag einer Schlupfrate ermittelt, in deren Maß die Ketten der Planierraupe nicht in angemessenem Kontakt zum Untergrund stehen, während der Bediener versucht, die Maschine zu bewegen. Das System bestimmt ebenfalls die Position des Geräts als Funktion des Werts der Schlupfrate, der Winkelgeschwindigkeit, und der Position des Hubaktuators, und bestimmt basierend auf diesen Parametern ebenso eine Abstimmung der Steuerungsverstärkungen um ein maximale Produktivität zu erzielen. Der Betrieb der Maschine zur Maximierung der Produktivität kann möglicherweise nur die physische Bewegung von Material betreffen, ohne Berücksichtigung des abschliessenden Aussehens der bearbeiteten Fläche. Daher werden die Steuerungsverstärkungen, um die Produktivität zu maximieren (d. h., die Steuerungsverstärkungen auf ein ausreichend hohes Niveau einzustellen, um sicherzustellen, dass soviel Material wie möglich bewegt werden kann), basierend auf vielen Parametern, wie der Fahrgeschwindigkeit, der Schlupfrate, der Winkelgeschwindigkeit, und der Position des Hubaktuators, bestimmt. Stratton et al. berücksichtigt jedoch nicht automatische Abstimmungen der Steuerungsverstärkungen zum „Abschlussplanieren” („finished dozing”) bei welchem Bediener der Erdbaumaschinen danach streben, ein ebenes Profil der Baustelle oder ein bestimmtes Aussehen des Arbeitsgebiets gemäß einem vorbestimmten Plan zu erhalten. Daher können die Steuerungsverstärkungen, der maximalen Produktivität entgegenstehend, zum „Abschlussplanieren” geringer sein, um ein weniger aggressives Ansprechen durch die proportional-differentielle Steuerung zu gewährleisten. Die Verwendung von Stratton et. al für den Betrieb beim „Abschlussplanieren” kann daher möglicherweise nicht angemessen sein, weil die Abstimmung der Steuerungsverstärkungen für ein aggressiveres Ansprechen durch die proportional-differentielle Steuerung ein Verschütten und ungewollte Furchen in der Baustelle verursachen kann.
Das offenbarte System zielt darauf ab, eine oder mehrere der Unzulänglichkeiten in der bestehenden Technologie zu beheben.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Abstimmung einer Steuerungsverstärkung eines Arbeitsgeräts an einer Maschine, basierend auf einer mit dem Arbeitsgerät in Verbindung stehenden Last, bereitgestellt. Das Verfahren schliesst die Bestimmung der mit dem Arbeitsgerät in Verbindung stehenden Last ein. Das Verfahren schliesst auch die Abstimmung der Steuerungsverstärkung basierend auf der ermittelten Last ein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur automatischen Abstimmung von Steuerungsverstärkungen zur Steuerung eines Geräts bereitgestellt. Das System schliesst einen Lastrechner ein, der eingerichtet ist, um eine Last zu bestimmen, und ein Steuerung, die eingerichtet ist, um eine Steuerungsverstärkung, mit der das Gerät versorgt ist, abzustimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Erdbaumaschine, in welcher Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingesetzt sein können;
1B zeigt einen hydraulischen Zylinder;
2A zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Steuerungssystem aufweist, das mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel übereinstimmt;
2B zeigt ein Blockdiagramm eines Antriebsstrangs einer Erdbaumaschine;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur automatischen Abstimmung einer mit einem Erdbaugerät in Verbindung stehenden Steuerungsverstärkung verdeutlicht, welches mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel in Einklang steht;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bestimmung einer Schildlast verdeutlicht, welches mit einem exemplarischen Ausführungsbeispiel in Einklang steht;
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Verstärkung und Schildlast zeigt; und
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Verstärkung und verschiedenen Materialien auf der Schildlast zeigt.
Genaue Beschreibung
1A zeigt einen Raupenschlepper 100, welcher einen hydraulischen Mechanismus 102 umfasst, der einen Hubzylinder, einen hydraulischen Mechanismus 103, ein Gerät bzw. Werkzeug 104, wie ein Schild, und ein Kettenrad 106 aufweist.
Ein Bediener des Raupenschleppers 100 führt möglicherweise eine Arbeit aus, wie den Aushub von Material aus oder das Überschütten von Material auf einer Baustelle. Der Bediener kann mittels eines Hebels (nicht gezeigt) die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 dazu veranlassen, eine Bewegung des Geräts 104 auszuführen. Beispielsweise kann der hydraulische Mechanismus 102 ein Hubaktuator sein, der das Gerät 104 zu und von einer Position oben und einer Position unten bewegt. Der hydraulische Mechanismus 103 kann ein Neigungsmechanismus sein, der das Gerät 104 zu und von einer vorderen Position und einer hinteren Position neigt. Die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 können elektrische Signale von internen Vorrichtungen innerhalb des Raupenschleppers 100 zur Steuerung der Bewegung der hydraulischen Mechanismen 102 und 103 empfangen. Beispielsweise kann ein elektrisches Signal an den hydraulischen Mechanismus 102 angelegt werden, um das Gerät 104 in eine Position oben oder eine Position unten zu bewegen, während andere elektrische Signale, die an den hydraulischen Mechanismus 103 angelegt werden, das Gerät 104 rückwärts und vorwärts bewegen. Die elektrischen Signale können Steuerungssignale (z. B. CELC) von einer proportionalen- und differentiellen Steuerung sein, die von einer proportionalen Steuerungsverstärkung (K_p) und einer differentiellen Steuerungsverstärkung (K_d), wie oben angemerkt und unten in weiteren Details beschrieben, abhängig ist.
2A verdeutlicht ein Steuerungssystem 200 zur Steuerung der hydraulischen Mechanismen 102 und 103 in Übereinstimmung mit einem offenbarten exemplarischen Ausführungsbeispiel. Das Steuerungssystem 200 schliesst einen Schildlastrechner 202, Steuerungsverstärkungsabstimmer 204, und eine proportional- und differentielle (PD) Steuerung 206 mit ein. Ebenfalls in 2A dargestellt ist ein Motor 208, ein Drehmomentwandler 210, hydraulische Mechanismen 102 und 103, und Gerät 104. Das Steuerungssystem 200 kann eingerichtet sein, um mittels der Steuerung 206 mit den hydraulischen Mechanismen 102 und 103 elektrisch verbunden zu sein. Wie mit Bezug auf 1A besprochen, können die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 die Bewegung des Geräts 106 in Übereinstimmung mit den von der proportional- und differentiellen Steuerung 206 empfangenen elektrischen Signalen ausführen.
Im Allgemeinen bestimmt ein Schildlastrechner 202 (oder Lastrechner) eine geschätzte, mit dem Gerät 104 in Verbindung stehende Last. Wie unten detaillierter mit Bezug auf die 3–6 diskutiert wird, kann der Schildlastrechner 202 die Schildlast durch vom Motor gewonnene Messwerte abschätzen. Basierend auf der geschätzten Schildlast, kann der Steuerungsverstärkungsabstimmer 204 mit der Steuerung 206 in Verbindung stehende Steuerungsverstärkungen (z. B. eine proportionale Steuerungsverstärkung und eine differentielle Steuerungsverstärkung) abstimmen bzw. einstellen. Die Steuerung 206 sendet in Übereinstimmung mit den abgestimmten Steuerungsverstärkungen, wie den vorher erwähnten proportionalen und differentiellen Steuerungsverstärkungen, ein Steueraufwandhubbefehlsignal (CELC) oder andere geeignete elektrische Signale an die hydraulischen Mechanismen 102 und 103. Die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 können in Abhängigkeit von dem CELC und den in Verbindung stehenden Steuerungsverstärkungen eine Bewegung des Geräts 104 ausführen. Wenn die Steuerungsverstärkungen beispielsweise für ein leichteres Material (z. B. lockeres Gestein) eingestellt wären, und der Bediener würde versuchen, schwereres Material (z. B. nassen Lehm) zu bewegen, würde das Steuerungssystem 200 die Steuerungsverstärkungen weiter ändern, sodass das Gerät 104 ein ausreichendes Ansprechverhalten aufweisen würde, um das schwerere Material in ausreichender Weise zu bewegen.
Zusätzlich kann das Steueraufwandhubbefehlsignal bzw. Steueraufwandhubbefehlssignal nicht nur von der geschätzten Schildlast abhängig sein, sondern auch von der Maschinengeschwindigkeit. In diesem Fall kann die Maschinengeschwindigkeit aus einem mit dem Motor 208 assoziierten Motorgeschwindigkeitssignal ermittelt werden. Die Motorgeschwindigkeit kann ebenso durch andere Methoden ermittelt werden, wie die Verwendung der Antriebsstranggeschwindigkeit oder hydraulischer Sensoren, Fahrgeschwindigkeitsradar, Ultraschall, gewünschte Übersetzungsverhältnisse, oder andere Kontrollparameter. Die Maschinengeschwindigkeit kann durch jedes nach dem Stand der Technik bekannte, zulässige Verfahren bestimmt werden.
Das Steuerungssystem 200 kann ein Mikroprozessorelement sein, mit dazugehörigen Speicher- und Programmanweisungen, um die oben erklärten Funktionen auszuführen. Das Steuerungssystem 200 kann als ein elektronisches Schaltkreisbauteil ausgeführt sein, um die Funktionen als Schildlastrechner 202, Steuerungsverstärkungsabstimmer 204 und Steuerung 206 auszuführen.
2B zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 250 in einer Maschine 100, das an ein Steuerungssystem 200 gekoppelt sein kann. Das System 250 weist eine Antriebswelle 252, ein Getriebe 254, eine Achse 256, ein Drehmoment übermittelndes Element 258, Kettenräder 106, Motor 208, und Drehmomentwandler 210 auf.
Wenn der Motor 208 läuft, überträgt der Drehmomentwandler 210 durch den Motor 208 erzeugte Energie an das Getriebe 254. Das Getriebe 254 dreht die Antriebswelle 252, um ein Antriebsstrangdrehmoment (τ_{Antriebsstrang}) zu erzeugen. Das Antriebsstrangdrehmoment wird an die Achsen 256 und Kettenräder 106 mittels des Drehmoment übermittelnden Elements 258 übertragen, welches zudem ein Zahnrad bzw. Zahnradgetriebe (nicht gezeigt) aufweisen kann, das an die Achse 256 gekoppelt ist, um mit der Antriebswelle 252 in Eingriff zu treten. Das Getriebe bzw. Zahnrad weist eine dazugehörige Übersetzungskonstante auf, welche mit dem Antriebsstrangdrehmoment multipliziert wird, um die Kettenradkraft (F_Kettenrad) zu gewinnen. Wird das System 250 betrieben, dann verursacht die aufgebrachte Kettenradkraft, dass sich die Ketten der Maschine 100 bewegen, und dabei die Maschine 100 in einer mit der Anweisung eines Bedieners übereinstimmenden Richtung bewegen. Das Steuerungssystem 200 empfängt Informationen vom System 250, um Berechnungen bezüglich der Schildlast durchzuführen, wie es unten im Einzelnen erklärt wird.
Industrielle Anwendbarkeit
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird als Nächstes ein Verfahren zur automatischen Abstimmung der Steuerungsverstärkung in Verbindung mit dem in 3 gezeigten Flussdiagramm 300 beschrieben werden.
Das Verfahren 300 beginnt bei Stufe 302, in welcher eine mit dem Erdbaugerät (z. B. ein Planierraupenschild) in Verbindung stehende geschätzte Schildlast bestimmt wird. Die Abschätzung der Schildlast wird durch Drehmomentmessung bestimmt, wie unten im Einzelnen mit Bezug auf 4 erklärt wird.
In Stufe 304 werden Steuerungsverstärkungen entsprechend der geschätzten Schildlast oder einer Kombination von Schildlast und Fahrgeschwindigkeit der Maschine 100 abgestimmt.
In Stufe 306 kann das Gerät (z. B. das Schild) in eine auf den abgestimmten Steuerungsverstärkungen basierenden Position gelenkt werden. Insbesondere werden die Steuerungsverstärkungen auf die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 als ein angemessenes CELC angewandt. Das CELC kann eine Funktion der Schildlast (CELC(SL)) sein, oder kann eine Funktion einer Schildlast und einer Fahrgeschwindigkeit (CELC(SL, Geschwindigkeit)) der Planierraupe sein. Die Bestimmung des angemessenen CELC wird unten im Einzelnen beschrieben.
4 verdeutlicht weiter ein Flussdiagramm für ein Verfahren 400 zur Bestimmung einer geschätzten Schildlast (Stufe 302 der 3). Die Schildlast wird durch Messung oder Berechnung anderer Parameter, wie dem Antriebsstrangdrehmoment, einem mit dem Untergrund assoziiertem Drehmoment, einer Lastkraft, und der Kettenradkraft bestimmt. Das mit dem Untergrund assoziierte Drehmoment wird zudem durch Berechnung derjenigen Kräfte bestimmt, die einem Bewegungswiderstand der Maschine und einer Neigung des Untergrunds zuzuordnen sind. Diese Berechnungen werden unten im Einzelnen besprochen.
Das Verfahren 400 beginnt bei Stufe 402, in welcher der Schildlastrechner 202 eine Last berechnet, die auf Komponenten wirkt, die gemeinsam Leistung vom Getriebe eines laufenden Motors an die Antriebsachsen übertragen. Eine solche Kraft, oder ein Antriebswellendrehmoment kann auf ein Kettenrad 106 übertragen werden, welches an die Ketten gekoppelt ist, die die Bewegung der Planierraupe bestimmen. Wie oben festgestellt, dreht das Kettenrad wiederum die Maschinenketten mit einer entsprechenden Kettenradkraft (F_Kettenrad).
Das Antriebswellendrehmoment, das benötigt wird, um jede vorgegebene Geschwindigkeit der Erdbaumaschine zu erreichen, hängt typischerweise von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie beispielsweise dem Gewicht der Erdbaumaschine, ob sich die Maschine auf einem Hang befindet, Material des Schilds, und Untergrundbedingungen, so beispielsweise ob die Maschine auf nassem oder schlammigem Untergrund betrieben wird. Wenn die Planierraupe beispielsweise sehr schwer ist, kann ein hohes Antriebswellendrehmoment nötig sein, um die Planierraupenketten zu drehen. Ebenso wird, wenn sich die Planierraupe auf einem Hang befindet, möglicherweise ein höheres Antriebswellendrehmoment benötigt, um die Planierraupe den Hang hinaufzubewegen, verglichen mit dem Bewegen der Planierraupe über flaches Land. Material auf dem Schild kann ebenfalls bewirken, dass die Planierraupe mehr wiegt, als wenn sie kein Material auf dem Schild hat, und daher ein höheres Antriebswellendrehmoment benötigt. Ebenso kann nasser oder schlammiger Untergrund einen höheren Bewegungswiderstand erzeugen, was ein höheres Antriebswellendrehmoment nötig macht, verglichen damit, dass sich die Planierraupe auf trockenem oder festen Untergrund befindet.
Das Antriebswellendrehmoment kann durch einen oder mehrere Betriebszustände des Drehmomentwandlers berechnet werden, beispielsweise basierend auf der Ausgangsgeschwindigkeit bzw. -drehzahl eines Drehmomentwandlers. Ein Drehmomentwandler ist eine bekannte. Flüssigkeitskupplung und wird bei automatischen Getrieben verwendet. Der Drehmomentwandler ist zwischen einen Motor und einer Übersetzung gekoppelt, um sicherzustellen, dass der Motor unabhängig von der Übersetzung weiterlaufen kann, wenn sich die Maschine verlangsamt, wie beispielsweise, wenn Bremsen angewendet werden, um die Maschine anzuhalten. Die Eingangsgeschwindigkeit bzw. -drehzahl des Drehmomentwandlers ist die Motorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl, und die Ausgangsgeschwindigkeit des Drehmomentwandlers bestimmt das Antriebswellendrehmoment. Beispielsweise können Drehmomentverhältnisse des Drehmomentwandlers, die aus einem Verhältnis der Eingangsgeschwindigkeit und der Ausgangsgeschwindigkeit errechnet werden, verwendet werden, um ein Drehmomentverhältnis des Drehmomentwandlers zu errechnen. Das Drehmomentverhältnis kann zusammen mit einem Motordrehmoment (bekannt beispielsweise aus einer Motordrehmomentkurve) verwendet werden, um das Antriebswellendrehmoment zu berechnen. Dies kann fortlaufend berechnet werden, oder in die Software in Form von Nachschlagetabellen implementiert werden.
Alternativ kann das Antriebswellendrehmoment, τ_{Antriebswelle}, basierend auf einer Abschätzung des Motordrehmoments τ_Motor, berechnet werden, welches mit der Kraftstoffverbrauchsrate des Motors und der Motordrehzahl in Verbindung steht. Insbesondere kann das Antriebswellendrehmoment wie folgt berechnet werden: τ_{Antriebswelle} = τ_Motor – geschätzte parasitäre Verluste
Geschätzte parasitäre Verluste könne Verluste in der Motorausgangsleistung sein, basierend auf Faktoren wie Reibung von Motorenteilen und werden in bekannter Weise bestimmt. Das Motordrehmoment kann eine vom Motor erzeugt Kraft auf Räder und Zahnräder einer Übersetzung sein, und die Ausgangskraft der Übersetzung wird in ein Antriebswellendrehmoment überführt, welches seinerseits, wie oben festgestellt, an die Kettenräder geliefert wird. Parasitäre Verluste können verursachen, dass das Antriebswellendrehmoment geringer ist als das von dem Motor erzeugte Drehmoment, indem sie die mit dem Motor assoziierte Leistung dämpfen.
Übereinstimmend mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Antriebswellendrehmoment auf so genannten hydrostatischen Maschinen, welche ein hydrostatisches Getriebe aufweisen, berechnet werden. Ein hydrostatisches Getriebe weist eine Pumpe mit variabler Verdrängung und einen Motor mit fester oder variabler Verdrängung auf, welche zusammen in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden. In dem geschlossenen Kreislauf fliesst Strömungsmittel vom Motorauslass direkt in den Pumpeneinlass, ohne in den Tank zurückzukehren. Um das Antriebswellendrehmoment einer hydrostatischen Maschine zu berechnen, kann ein Druckabfall durch den Motor hindurch gemessen und mit der Motorverdrängung multipliziert werden. Die Motorverdrängung kann gemessen oder basierend auf einer gewünschten Verdrängung geschätzt werden.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung kann das Antriebswellendrehmoment auf elektrischen Antriebsmaschinen berechnet werden. Elektrische Antriebsmaschinen verwenden einen an einen Motor gekoppelten elektrischen Generator, um Energie zu erzeugen, welche von elektrischen Antriebsmotoren, die an Kettenräder gekoppelt sind, verwendet werden kann. Um das Antriebswellendrehmoment einer elektrischen Antriebsmaschine zu berechnen, kann das Antriebswellendrehmoment aus einer Tabelle bestimmt werden, welche das Motordrehmoment zu einer gemessenen Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors in Beziehung setzt. Die Drehmomenttabelle kann als Funktion einer gemessenen Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und einer am elektrischen Antriebsmotor anliegenden Spannung ebenfalls variieren, daher kann das Antriebswellendrehmoment auch als Funktion der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors und der am elektrischen Antriebsmotor anliegenden Spannung bestimmt werden.
Während oben verschiedene Verfahren der Berechnung oder Bestimmung eines Antriebswellendrehmoments für eine Maschine vorgestellt werden, wird jemand mit üblichen Kenntnissen auf diesem Fachgebiet verstehen, dass andere, zusätzliche Verfahren zur Bestimmung oder Berechnung des Antriebswellendrehmoments in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können.
Zurückkehrend zu 4 wird bei Stufe 404 ein mit dem Untergrund assoziiertes Drehmoment bestimmt, welches typischerweise die Summe des Bewegungswiderstands und der Hangabtriebskraft ist. Der Bewegungswiderstand ist definiert als diejenige Kraft, die aufgrund von Bodenbedingungen, die die Maschinenbewegung behindern, gegen die Maschine wirkt, und die Hangabtriebskraft ist diejenige Kraft, die benötigt wird, um eine Maschine einen Hang hinaufzubewegen. Bewegungswiderstand und Hangabtriebskraft werden unten im Einzelnen beschrieben.
In Stufe 406 wird der Bewegungswiderstand berechnet. Der Bewegungswiderstand kann niedrig sein, wenn der Untergrund trocken und fest ist, kann aber hoch sein, wenn die Ketten der Planierraupe nicht ausreichend mit dem Untergrund im Eingriff stehen, um die Maschine zu bewegen. Beispielsweise kann nasser oder schlammiger Untergrund mehr Kraft zur Bewegung der Maschine nötig machen, als bei trockenem Untergrund mit hohem Reibkoeffizienten. Der Bewegungswiderstand kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: F_{Bewegungswiderstand} = Maschinengewicht·effektiver Rollwiderstand + Kettengeschwindigkeit·effektiver Kettenwiderstand.
Der effektive Rollwiderstand und der effektive Kettenwiderstand sind Kräfte, die gegen die Maschine wirken, wenn der Bediener die Maschine fahrt. Die Kettengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Ketten der Maschine bewegen.
In Stufe 408 wird die Hangabtriebskraft berechnet. Die Hangabtriebskraft ist im Wesentlichen gleich dem zusätzlich benötigten Antriebswellendrehmoment, das benötigt wird, um eine Maschine einen Hang hinaufzubewegen, verglichen mit ebenem Grund. Die Hangabtriebskraft kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: F_Hang = Maschinengewicht·sin(Hangneigungswinkel)
Das automatische Steuerungssystem kann auch einen Neigungsdetektor aufweisen (z. B. vorgesehen als Teil des Schildlastrechners 202), zur Bestimmung des Hangs oder der Neigung, auf welcher die Maschine arbeitet. Der Neigungsdetektor kann ein Sensor sein, der ein Neigungssignal erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel kann der Neigungsdetektor einen Drehratensensor wie ein herkömmliches Gyroskop in Verbindung mit einem bekannten Kalman-Filter aufweisen. Der Neigungsdetektor kann auch ein bekannter Sensor sein, der kapazitive oder resistive Strömungsmittel verwendet.
Der Hangneigungswinkel kann der Winkel des Anstiegs eines Hügels sein, auf welchem die Maschine 100 betrieben wird. Wenn der Winkel gleich Null ist (d. h. kein Hang), ist sin (0) gleich Null, und daher ist die Hangabtriebskraft gleich Null. Dementsprechend ist in diesem Fall kein zusätzliches Antriebswellendrehmoment nötig, um die Maschine zu bewegen.
Somit lässt sich das mit dem Untergrund assoziierte Drehmoment, oder, in anderen Worten die Gesamtkraft, die auf die Maschine wirkt, um sie an der Fortbewegung zu hindern, wie folgt berechnet werden: τ_Untergrund = F_{Bewegungswiderstand} + F_Hangneigung
In Stufe 410 kann eine Lastkraft berechnet werden. Die Lastkraft ist eine Kraft. die benötigt wird, um eine sich auf dem Gerät 104 befindliche Last zu bewegen, abzüglich derjenigen Kräfte, die dem Untergrund zuzuordnen sind (d. h. Kräfte, die durch den Bewegungswiderstand und die Hangneigung verursacht werden, werden abgezogen, sodass eine einer Last zuzuordnende Kraft herausgehoben werden kann). Die Lastkraft (F_Last) kann wie folgt ausgedrückt werden: F_Last = F_Kettenrad – F_{Bewegungswiderstand} – F_Hangneigung
F_Kettenrad in der obigen Gleichung ist die Kettenradkraft, welche eine Kraft ist, die durch Kettenräder erzeugt wird, um die Ketten der Maschine zu drehen, und basiert auf dem Antriebswellendrehmoment. Wie oben festgestellt, kann das Antriebswellendrehmoment mit einer Übersetzungskonstanten multipliziert werden, welche mit einer Übersetzung in dem Drehmoment übertragenden Bauteil 258 assoziiert wird, welche die Maschine antreibt, um die Kettenradkraft in Übereinstimmung mit der folgenden Formel aufzuwenden: F_Kettenrad = τ_{Antriebswelle}·Übersetzungskonstante
In Stufe 412 wird der mathematische Wert der Lastkraft gefiltert, um eine geschätzte Schildlast zu bestimmen. Das Filtern kann durchgeführt werden, indem gemäß Stand der Technik bekannte Techniken verwendet werden. Das Filtern der Lastkraft eliminiert plötzlich auf das Schild wirkende Kräfte, die auftreten können, wenn die Planierraupe auf unerwartete Kräfte trifft. Als Ergebnis werden Spitzen in der Lastkraft nicht in die Berechnung der Steuerungsverstärkungen eingearbeitet. Folglich werden stabile CELC-Signale an die das Gerät 104 steuernden hydraulischen Mechanismen 102 und 103 geliefert.
Beispielsweise kann das Schild einer Maschine beim Glätten oder Bedecken einer Baustelle auf eine harte Stelle treffen (z. B. einen aus dem Untergrund hervorragenden Fels), wodurch die Schildlast beim Auftreffen auf die harte Stelle plötzlich ansteigen wird. Der plötzliche Anstieg der Schildlast wird gefiltert, sodass die Steuerungsverstärkungen nicht plötzlich ansteigen und die hydraulischen Mechanismen dazu bringen, das Schild derart zu steuern, dass es tiefer gräbt. Durch das Filtern von Anomalien wie diesen, kann die unnötige Abstimmung bzw. Einstellung der Steuerungsverstärkungen ausgeschaltet werden.
Somit kann die geschätzte Schildlast durch die folgende Gleichung bestimmt werden: Geschätzte Schildlast = 0.9F_Last(z) – 0.1F_Last(z) Wobei z = e^–nT und T = 0.02 sec.
Die geschätzte Schildlast kann auch wie folgt ausgedrückt werden: Geschätzte Schildlast = k(0.9F_Last(T) – 0.1(F_Last(T – 0.02)) Wobei k eine bekannte Konstante ist.
Alternativ kann die Schildlast basierend auf einer Schildhubkraft berechnet werden, welche typischerweise eine Kraft ist, die benötigt wird, um das Schild der Maschine anzuheben. Falls die Maschine einen einzelnen hydraulischen Mechanismus aufweist, zum Beispiel einen Mechanismus 102, der in 1A gezeigt ist, mit nur einem Zylinder, ist die Schildhubkraft gleich der Fläche des Zylinders, multipliziert mit dem Druck, der mit dem Zylinder während des Hubs assoziiert wird. Beispielsweise zeigt 1B einen Zylinder 150, der mit dem hydraulischen Mechanismus 102, dem Kolben 152, und dem Bereich 154 assoziiert ist. Eine Kraft wirkt auf den Kolben 152 (wie durch den Pfeil gezeigt). Strömungsmittel im Bereich 154 unterliegt einem Druck auf einen Hubzylinder, der auf der aufgebrachten Kraft und der Fläche des Kolbens 152 basiert. Die aufgebrachte Kraft kann die Schildhubkraft sein und kann verwendet werden, um die Schildlast zu bestimmen. Falls mehrere Hubmechanismen vorgesehen sind, wird ein Produkt der Druckzylinderfläche eines jeden bestimmt und dann aufsummiert, um eine vereinigte Schildhubkraft zu erhalten.
Wenn das Gerät nicht beschleunigt (d. h. keine oder konstante Geschwindigkeit), wird die Schildlast durch Subtrahieren der Schildmasse (welche das Gewicht des Schildes ist, wenn es leer ist) von der Schildhubkraft bestimmt.
Während der Beschleunigung jedoch wirken Kräfte, die der Beschleunigung (oder Verzögerung) des Geräts, das sich in gerader Richtung bewegt zugeordnet werden und Kräfte, die der Schwerkraft (1G = 9,81 m/s²) zugeordnet werden, auf die Schildlast. Somit kann die Schildlast unter diesen Umständen durch die folgende Gleichung dargestellt werden: Schildlast·(1G – Senkrechte Beschleunigung) = Zylinderdruck·Effektive Fläche – Schildmasse (1G – Senkrechte Beschleunigung).
Zurückkehrend zu 3 werden die Steuerungsverstärkungen unter Verwendung der Schildlastberechnung gemäß einer der oben beschriebenen Verfahren abgestimmt (Stufe 304 der 3), beispielsweise durch den Steuerungsverstärkungsabstimmer 204. Insbesondere können die Steuerungsverstärkungen beispielsweise abgestimmt werden, um einen Anstieg der Last auf dem Schild zu kompensieren. Weil die Steuerungsverstärkungen für eine Art von Material eingerichtet sind, kann ein Anstieg der Schildlast einen Anstieg der Steuerungsverstärkungen nötig machen, um die gestiegene Schildlast angemessen zu steuern. In Fällen, in denen Maschinen wie Planierraupen der Kettenbauart verwendet werden, kann es einen linearen Zusammenhang zwischen der Steuerungsverstärkung und der Änderung der Schildlast geben.
Die auf der Schildlast basierende Abstimmung der Steuerungsverstärkung wird als Nächstes im Einzelnen beschrieben werden.
Wie oben festgestellt, stellt die proportionale und differentielle Steuerung ein Steuerungssignal CELC bereit. CELC ist eine lineare Kombination eines Fehlersignals und einer Ableitung des Fehlersignals. Das Fehlersignal kann den Unterschied zwischen einer Zielposition des Schilds und einer tatsächlichen Position des Schildes darstellen. Die proportionale und differentielle Steuerung kann eine proportionale Steuerungsverstärkung (K_p) und eine differentielle Steuerungsverstärkung (K_d) aufweisen.
Die Steuerungsverstärkungen werden auf das Fehlersignal angewandt, um den Fehler zu beseitigen und das Schild in einer gewünschten Position zu stabilisieren. Die proportionale Steuerungsverstärkung korrigiert das Fehlersignal in linearer Art, indem der Fehler um einen zum Betrag des Fehlers proportionalen Betrag korrigiert wird. Wenn also der Wert des Fehlersignals steigt, geschieht dies auch mit dem proportionalen Verstärkungsfaktor, und andersherum. Der differentielle Verstärkungsfaktor stabilisiert das Fehlersignal, um Schwingungen zu vermeiden, und reduziert dadurch das Überschwingen.
Unter Verwendung der geschätzten Schildlast aus der Stufe 402 der 4, kann die proportionale Verstärkung (K_p) als Funktion der Schildlast (SL) durch den Steuerungsverstärkungsabstimmer 204 gemäß der folgenden Formel abgestimmt werden: K_p(SL) = K_p-nom(SL) + K_{p_Verst._Abst._Fakt.}(SL)·Geschätzte Schildlast – Nominale Schildlast) (Gleichung 1) wobei:
K_p(SL) = die proportionale Steuerungsverstärkung;
K_p-nom(SL) = eine nominale proportionale Steuerungsverstärkung;
K_{p_Verst._Abst._Fakt.}(SL) = ein proportionaler Steuerungsverstärkungsabstimmfaktor;
Geschätzte Schildlast = die geschätzte Schildlast, wie oben berechnet; und
Nominale Schildlast = eine nominale Kraft auf dem Schild.
Falls K_p(SL) > eine maximal erlaubte proportionale Steuerungsverstärkung (K_p(SL)_max), ist K_p(SL) auf K_p(SL)_max begrenzt.
Ebenso kann unter Verwendung der wie in Stufe 412 der 4 ermittelten geschätzten Schildlast die differentielle Steuerungsverstärkung (K_d) als Funktion der Schildlast (SL) durch den Steuerungsverstärkungsabstimmer 204 gemäß der folgenden Formel abgestimmt werden: K_d(SL) = K_d-nom(SL) + K_{d_Verst._Abst._Fakt.}(SL)·Geschätzte Schildlast – Nominale Schildlast) (Gleichung 2) wobei:
K_d(SL) = die differentielle Steuerungsverstärkung;
K_d-nom(SL) = eine nominale differentielle Steuerungsverstärkung;
K_{d_Verst._Abst._Fakt.}(SL) = ein differentieller Steuerungsverstärkungsabstimmfaktor;
Geschätzte Schildlast = die geschätzte Schildlast, wie oben berechnet; und
Nominale Schildlast = eine nominale Kraft auf dem Schild.
Falls K_d(SL) > eine maximal erlaubte differentielle Steuerungsverstärkung (K_d(SL)_max), ist K_d(SL) auf K_d(SL)_max begrenzt.
Der proportionale Steuerungsverstärkungsfaktor (K_{p_Verst._Abst._Fakt.}(SL)) und der differentielle Steuerungsverstärkungsfaktor (K_{d_Verst._Abst._Fakt.}(SL)) kann von einem Techniker bestimmt oder vom Werk eingestellt werden, und stellt eine lineare Abstimmung der nominalen proportionalen Verstärkung und der nominalen differentiellen Verstärkung basierend auf der Schildlast bereit. Als Alternative können K_{p_Verst._Abst._Fakt.}(SL) und K_{d_Verst._Abst._Fakt.}(SL) aus einer Nachschlagetabelle von Schildlasten (oder Materialgewicht) und entsprechender proportionaler und differentieller Verstärkungswerte bestimmt werden. Die Verstärkungsabstimmfaktoren (K_{p_Verst._Abst._Fakt.}(SL) und K_{d_Verst._Abst._Fakt.}(SL1) werden unten im Einzelnen beschrieben.
5 verdeutlicht einen allgemeinen Zusammenhang zwischen einer Steuerungsverstärkung (proportional und/oder differentiell) und Schildlast, um den Verstärkungsabstimmfaktor zu berechnen. Die Beziehung ist dieselbe für entweder die proportionale Steuerungsverstärkung oder die differentielle Steuerungsverstärkung. Wie oben festgestellt, kann es einen linearen Zusammenhang zwischen den Steuerungsverstärkungen und der Schildlast geben, wie in Linie 500 _A–500 _B gezeigt. Die Steigung der Linie 500 _A–500 _B kann der Steuerungsverstärkungsabstimmfaktor sein, der entweder mit den proportionalen oder differentiellen Steuerungsverstärkungen assoziiert ist. Die maximale Schildlast kann eine obere Begrenzung oder eine Toleranzgrenze der Schildlast sein (z. B. das Maximalgewicht, das ein Schild tragen kann). Die Nominallast kann ein leeres Schild sein.
Die Steigung der Linie 500 _A–500 _B kann ebenso empirisch von der Art des durch eine Erdbaumaschine gehandhabten Materials abgeleitet werden. Beispielsweise zeigt 6 eine Beziehung zwischen der Steuerungsverstärkung (entweder proportionale Steuerungsverstärkung oder differentielle Steuerungsverstärkung) und drei verschiedenen Materialarten. Lockeres Gestein kann eine leichte Schildlast bewirken, verglichen mit anderen Arten von Material, und eine Verstärkung aufweisen, die am Punkt 600 _A gezeigt ist. Ein feinkörniger Verbundstoff kann eine Verstärkung bei Punkt 600 _B aufweisen, während ein relativ schweres Material (so wie nasser Lehm) eine Verstärkung wie bei Punkt 600 _C aufweisen kann.
Die Steigung der Linie, wie in 6 gezeigt, welche eine Funktion der Steuerungsverstärkung und der Schildlast ist, wird als die Steuerungsverstärkungsfaktoren (K_{p_Verst._Abst._Fakt.} und K_{d_Verst._Abst._Fakt.}) verwendet.
Unter Verwendung von K_p und K_d, die wie oben in den Gleichungen 1 und 2 bestimmt wurden, wird CELC(SL) bestimmt. Wie zuvor festgestellt, kann CELC(SL) das an die hydraulischen Mechanismen 102 und 103 durch die Steuerung 206 zugeführte Signal sein, und kann wie folgt ausgedrückt werden: CELC(SL) = K_p(SL)·e_bh + K_d(SL)·d(e_bh)/dt Wobei
CELC(SL) = Steuersaufwandhubbefehl als Funktion der Schildlast;
K_p(SL) = die proportionale Verstärkung als Funktion der Schildlast;
e_bh = eine Abweichung in der Schildhöhe (z. B. der Unterschied zwischen einer Zielposition des Schildes und der tatsächlichen Position des Schildes); und
K_d(SL) = die differentielle Steuerungsverstärkung als Funktion der Schildlast; und
d(e_bh)/dt = eine momentane Änderungsrate der Abweichung der Schildhöhe als Funktion der Zeit.
Der Steuerungsaufwandhubbefehl als Funktion der Schildlast (CELC(SL)) ist ein Steuerungssignal, welches eine lineare Kombination eines Fehlersignals multipliziert mit der proportionalen Steuerungsverstärkung ist, K_p(SL)·e_bh, plus der Ableitung des Abweichungssignals multipliziert mit der differentiellen Steuerungsverstärkung, K_d(SL)·d(e_bh)/dt.
Zusätzlich können die proportionalen und differentiellen Steuerungsverstärkungen als Funktion der Schildlast und Maschinenfahrgeschwindigkeit abgestimmt werden. Wobei K_p und K_d als Funktion von Fahrgeschwindigkeit dargestellt werden können als: K_p(Geschwindigkeit) = K_p-nom(Geschwindigkeit) + K_{p_Verst_Abst_Faktor}(Geschwindigkeit)·(Maschinengeschwindigkeit); und K_d(Geschwindigkeit) = K_d-nom(Geschwindigkeit) + K_{d_Verst_Abst_Faktor}(Geschwindigkeit)·(Maschinengeschwindigkeit).
Der proportionale Steuerungsverstärkungsfaktor (K_{p_Verst_Abst_Faktor}(Geschwindigkeit)) und der differentielle Steuerungsverstärkungsfaktor (K_{d_Verst_Abst_Faktor}(Geschwindigkeit)) können von einem Techniker bestimmt oder von Werk aus eingestellt werden, und stellt eine lineare Abstimmung der nominalen proportionalen Steuerungsverstärkung und der nominalen differentiellen Steuerungsverstärkung, basierend auf der Maschinenfahrgeschwindigkeit, bereit. Als Alternative können K_{p_Verst_Abst_Faktor}(SL) und K_{d_Verst_Abst_Faktor}(SL) durch Verwendung einer Nachschlagetabelle bestimmt werden, die eine Beziehung zwischen der Maschinenfahrgeschwindigkeit und den proportionalen und differentiellen Steuerungsverstärkungen zeigt.
Der Steueraufwandhubbefehl als Funktion der Schildlast und der Fahrgeschwindigkeit (CELC(Geschwindigkeit)) kann dargestellt werden als: CELC(SL, Geschwindigkeit) = K_p(SL, Geschwindigkeit)·e_bh + K_d(SL, Geschwindigkeit)·d(e_bh)/dt wobei
CELC(SL, Geschwindigkeit) = Steueraufwandhubbefehl als Funktion von Schildlast und Fahrgeschwindigkeit;
K_p(SL, Geschwindigkeit) = die proportionale Verstärkung als Funktion der Schildlast und Fahrgeschwindigkeit;
e_bh = eine Abweichung in der Schildhöhe (z. B. der Unterschied zwischen einer Zielposition des Schildes und der tatsächlichen Position des Schildes); und
K_d(Geschwindigkeit) = die differentielle Steuerungsverstärkung als Funktion der Schildlast und der Fahrgeschwindigkeit; und
d(e_bh)/dt = eine momentane Änderungsrate der Abweichung der Schildhöhe als Funktion der Zeit.
Um K_p(SL, Geschwindigkeit) und K_d(Geschwindigkeit) zu bestimmen, wird K_p(SL) mit K_p(Geschwindigkeit) multipliziert, was gleich K_p(SL, Geschwindigkeit) ist, und K_d(SL) wird mit K_d(Geschwindigkeit) multipliziert, was K_d(SL, Geschwindigkeit) ergibt. Dementsprechend kann die Abstimmung der Steuerungsverstärkungen erreicht werden, indem sowohl Schildlast und Fahrgeschwindigkeit als Anzeigen für eine genaue Steuerungsverstärkungsabstimmung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann durch einen oder mehrere in der Maschine 102 (Übersetzer: 100) angebrachte Mikroprozessoren umgesetzt werden, die diejenigen Funktionen ausführen können, die in Verbindung mit in 3 und 4 beschriebenen Verfahren beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung wird vorteilhafterweise in Baugeräten wie Rad- und Kettenplanierraupen zur automatischen Planierungssteuerung oder für automatische Lasernivelliersysteme eingesetzt. Es ist erkennbar, dass eine Planierraupe durch die Verwendung der hierin offenbarten Grundlagen Steuerungsverstärkungen basierend auf einer Schildlast und/oder der Maschinengeschwindigkeit abstimmen kann.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden für den Fachmann durch Betrachtung der Beschreibung und Ausführung der hier offenbarten Erfindung offensichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und Beispiele nur als exemplarisch betrachtet werden, wobei der tatsächliche Umfang und Gedanke der Erfindung durch die folgenden Patentansprüche angegeben ist.

Claims

Ein Verfahren zur Abstimmung eines Geräts an einer Maschine, welches umfasst: Bestimmung einer Last, welche mit dem Arbeitsgerät in Zusammenhang steht; und die automatische Abstimmung einer Steuerungsverstärkung, die mit dem Gerät assoziiert ist, basierend auf der bestimmten Last.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Last mittels der Berechnung einer mit der Last in Verbindung stehenden Kraft bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die mit der Last in Verbindung stehende Kraft vom Drehmoment einer Antriebswelle abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die mit der Last in Verbindung stehende Kraft von einer Kettenradkraft abhängt, und wobei das Verfahren zudem die Multiplikation des Antriebswellendrehmoments mit einer Übersetzungskonstanten umfasst, um die Kettenradkraft zu bestimmen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die mit der Last in Verbindung stehende Kraft zudem von einem mit einer Bodenoberfläche assoziierten Drehmoment abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei das mit der Bodenoberfläche assoziierte Drehmoment von einer mit einem Bewegungswiderstand verbundenen Kraft und einer Kraft, die mit einem Gefälle der Bodenoberfläche verbunden ist, abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Kraft gefiltert wird, um die Last zu bestimmen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkungen eine Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors, und einer differentiellen Steuerungsverstärkung als Funktion eines differentiellen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkungen eine Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Last als Funktion eines Hubzylinderdrucks bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkung eine Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors, und einer differentiellen Steuerungsverstärkung als Funktion einer differentiellen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkungen eine Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors umfasst.
Ein System zur Steuerung eines Geräts, welches umfasst: einen Lastrechner, der eingerichtet ist, um eine Last zu bestimmen; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um eine mit dem Gerät verbundene Steuerungsverstärkung auf der Last basierend abzustimmen.
Das System gemäß Anspruch 13, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um die Last als Funktion einer mit der Last in Verbindung stehenden Kraft zu bestimmen.
Das System gemäß Anspruch 14, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um die mit der Last in Verbindung stehende Kraft als Funktion zumindest eines der folgenden zu bestimmen: Antriebswellendrehmoment, Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsverhältnis, und gewünschtes Übersetzungsverhältnis.
Das System gemäß Anspruch 15, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um die mit der Last in Verbindung stehende Kraft als Funktion einer Kettenradkraft zu bestimmen, wobei die Kettenradkraft basierend auf einem Produkt des Antriebswellendrehmoments und einer Übersetzungskonstanten bestimmt wird.
Das System gemäß Anspruch 16, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um die mit der Last in Verbindung stehende Kraft als Funktion eines mit einer Bodenoberfläche verbundenen Drehmoments zu bestimmen.
Das System gemäß Anspruch 17, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um das mit der Bodenoberfläche assoziierte Drehmoment von einer als Funktion einer mit einem Bewegungswiderstand verbundenen Kraft und einer Kraft, die mit einem Gefälle der Bodenoberfläche verbunden ist, zu bestimmen.
Das System gemäß Anspruch 18, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Steuerungsverstärkung mittels Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors, und einer differentiellen Steuerungsverstärkung als Funktion eines differentiellen Steuerungsverstärkungsabstimmungsfaktors abzustimmen.
Das System gemäß Anspruch 13, wobei der Lastrechner eingerichtet ist, um die Last als Funktion eines Hubzylinderdrucks zu bestimmen.
Das System gemäß Anspruch 20, wobei die Steuerung die Steuerungsverstärkung mittels Abstimmung einer proportionalen Steuerungsverstärkung als Funktion eines proportionalen Steuerungsverstärkungsabstimmfaktors, und einer differentiellen Steuerungsverstärkung als Funktion eines differentiellen Steuerungsverstärkungsabstimmfaktors abstimmt.
Ein Verfahren zur Abstimmung einer Steuerungsverstärkung eines Arbeitsgeräts an einer Maschine basierend auf einer mit dem Arbeitsgerät verbundenen Last, wobei die Maschine einen Motor und ein damit verbundenes Antriebswellendrehmoment aufweist, wobei das Verfahren umfasst: die Berechnung der mit dem Arbeitsgerät assoziierten Last als Funktion eines Antriebswellendrehmoments; und die Abstimmung der Steuerungsverstärkung des Arbeitsgeräts als Funktion der berechneten Last auf dem Arbeitsgerät.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Berechnung der Last auf dem Arbeitsgerät umfasst: die Berechnung eines Drehmoments bezüglich einer Bodenoberfläche; und die Berechnung der Last als Funktion des Antriebswellendrehmoments und des Drehmoments bezüglich der Bodens.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Berechnung eines Drehmoments bezüglich des Bodens zudem umfasst: die Berechnung des Bewegungswiderstandes der Maschine; und die Berechnung einer Hangabtriebskraft der Maschine.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, welches zudem das Filtern der Last umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Antriebswellendrehmoment durch einen oder mehrere Betriebszustände des Drehmomentwandlers bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23 wobei das Antriebswellendrehmoment proportional zu einer vom Drehmomentwandler abgegebenen Kraft ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Antriebswellendrehmoment durch ein Abschätzen des Motordrehmoments eines Motors bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei das Motordrehmoment basierend auf einem Treibstoffverbrauchsverhältnis des Motors und einer Geschwindigkeit des Motors abgeschätzt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei das Antriebswellendrehmoment gleich dem Motordrehmoment ist, abzüglich einer Schätzung parasitärer, dem Motor zuzuordnenden Verluste.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Antriebswellendrehmoment durch die Multiplikation eines an einem Motor auftretenden Druckabfalls mit einem Motorverdrängungswert bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Antriebswellendrehmoment als Funktion der mit einem Elektromotor assoziierten Drehzahl eines Elektromotors bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Antriebswellendrehmoment als Funktion der mit einem Elektromotor assoziierten Drehzahl eines Elektromotors und der an dem Motor anliegenden Spannung bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkung zudem die Abstimmung der proportionalen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkung zudem die Abstimmung der differentiellen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Steuerungsverstärkung eine Funktion eines Verstärkungsabstimmfaktors ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Abstimmung zudem die Multiplikation des Verstärkungsabstimmfaktors mit der Schildlast und die Addition einer nominalen proportionalen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Steuerungsverstärkung eine lineare Funktion der Last ist.
Ein Verfahren zur Abstimmung einer Steuerungsverstärkung eines Arbeitsgeräts auf einer Maschine basierend auf der auf das Arbeitsgerät wirkenden Last, welches umfasst: Berechnung der Last als Funktion des Hubzylinderdrucks des Arbeitsgeräts; und Abstimmung der Steuerungsverstärkung des Arbeitsgeräts als Funktion der berechneten Last.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Berechnung der Last (Übersetzer: auf dem Gerät) während einer Periode relativ konstanter Geschwindigkeit des Arbeitsgeräts die Berechnung der Last als Funktion des Hubzylinderdrucks, einer Wirkfläche des Hubzylinders und das Gewichts des Arbeitsgeräts umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Berechnung der Last während einer Periode der Beschleunigung oder Verzögerung des Arbeitsgeräts die Berechnung der Last als Funktion des Hubzylinderdrucks, einer Wirkfläche des Hubzylinders, eines Gewichts des Arbeitsgeräts und einer Linearbeschleunigung des Arbeitsgeräts umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkung zudem die Abstimmung der proportionalen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Abstimmung der Steuerungsverstärkung zudem die Abstimmung der differentiellen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Steuerungsverstärkung eine Funktion eines Verstärkungsabstimmfaktors ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 44, wobei die Abstimmung zudem die Multiplikation des Verstärkungsabstimmfaktors mit der Last und die Addition einer nominalen proportionalen Verstärkung umfasst.
Das Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Steuerungsverstärkung eine lineare Funktion der Last ist.
Ein Verfahren zur Abstimmung einer Steuerungsverstärkung auf einer Maschine, welches umfasst: Die Berechnung einer Last, die mit dem Arbeitsgerät assoziiert ist; die Berechnung einer Geschwindigkeit einer Maschine, und die Abstimmung der Steuerungsverstärkung in Übereinstimmung mit einer Funktion einer Last und der Maschinengeschwindigkeit.