DE102008038484A1

DE102008038484A1 - Zustandsregelsystem zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008038484A1
Application number: DE200810038484
Authority: DE
Inventors: Heinz-Hermann Meyer; Christian Busch; Hans-Georg Lemper; Thomas Päth; Martin Knöß; Stefan Tadje
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: DE102008038484B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Parametrierung eines Zustandsreglers durch Eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in eine Eingabevorrichtung eines Zustandsregelsystems. Dabei sind diese Wichtungsgrößen derart vordefiniert, dass sie dem Benutzer bei Angabe entsprechender Werte einen zu erwartenden Ist-Kurvenverlauf der zu regelnden Größe grafisch darstellen. Durch anschließendes Minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen können die Regelkoeffizienten der Regelstrecke rechnerisch bestimmt werden. Eine vollständige Eingabe aller Regelkoeffizienten durch den Benutzer ist somit nicht vonnöten. Durch anschließendes Bereitstellen der gefundenen Regelkoeffizienten an den Zustandsregler durch die Recheneinheit kann der Zustandsregler die Parameter derart anpassen, dass die Erreichung eines Sollwerts der Regelgröße durch den gewünschten Kurvenverlauf realisiert wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Parametrierung von Zustandsreglern zum Regeln von Regelgrößen einer Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Zustandsregelsystem in einem Regelkreis zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung, eine pneumatische Schweißzange mit einem solchen Zustandsregelsystem, ein Verfahren zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung, ein computerlesbares Medium sowie ein Computerprogrammelement.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Regler beeinflussen selbsttätig in einem meist technischen Prozess eine oder mehrere physikalische Größen auf ein vorgegebenes Niveau unter Reduzierung von Störeinflüssen. Ihre Behandlung ist Kern der Regelungstechnik. Dazu vergleichen Regler innerhalb eines Regelkreises laufend das Signal des Sollwertes mit dem gemessenen und zurückgeführten Istwert der Regelgröße und ermitteln aus dem Unterschied der beiden Größen, der so genannten Regelabweichung (Regeldifferenz), eine Stellgröße, welche die Regel-Strecke so beeinflusst, dass die Regelabweichung spätestens im eingeschwungenen Zustand zu einem Minimum wird.
Neben vielen technischen Anwendungsbereichen für Regler ist die Regelung des Antriebes von mechanischen Vorrichtungen wie beispielsweise Schweißzangen eine beispielhaftes Anwendungsmöglichkeit. Schweißzangen sind Werkzeuge zum Widerstandsschweißen. Sie werden benutzt, um dünne Bleche mit Hilfe von elektrischem Strom miteinander zu verschweißen. Hauptsächlich werden Stahlbleche verschweißt, aber auch andere metallische Werkstoffe können miteinander verschweißt werden. Auch bieten moderne Steuerungen die Wahl zwischen unterschiedlichen Nahtprogrammen, welche in der Anzahl der Impulse, der Form der Schweißnaht und der Elektrodenkraft variieren. Punktschweißzangen werden vor allem an mobilen Widerstandsschweißeinrichtungen angewendet. Die Bewegung der Punktschweißzangen kann entweder von Hand oder mittels Schweißroboter erfolgen.
Dabei müssen Punktschweißzangen u. a. die Aufgabe erfüllen, die notwendige Schließkraft, die im Bereich einiger Kilonewton liegen kann, sicher und genau zu erzeugen. Zur Erzeugung der Schließkraft können pneumatische oder auch elektromotorische Krafterzeugungssysteme eingesetzt werden. Zur Regelung der Druckverhältnisse während der Erzeugung der Kraft können beispielsweise Zustandsregler eingesetzt werden, die entsprechend der zu erzeugenden Kraft durch technisch geschultes Personal eingestellt werden müssen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Parametrierung eines Zustandsreglers anzugeben.
Es ist ein Zustandsregelsystem in einem Regelkreis zur Regelung einer Regelgröße, ein Verfahren zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung, eine pneumatische Schweißzange mit einem Zustandsregelsystem, ein computerlesbares Medium sowie ein Computerprogrammelement gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen das Zustandsregelsystem, die pneumatische Schweißzange, das Verfahren, das computerlesbare Medium und das Computerprogrammelement.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung die folgenden Definitionen und Abkürzungen benutzt werden.
Regelkreis:
Ein Regelkreis ist ein rückgekoppeltes System, das mindestens aus einer Regelstrecke, einem Regler, wie beispielsweise einem Zustandsregler, und einer Rückführung besteht. Regelkreise werden auch als Regelsysteme bezeichnet, insbesondere dann, wenn in einem Regelkreis mehrere Regelkreise ineinander greifen.
Zustandsregelung:
Eine Zustandsregelung ist ein Regelkreis, der die Regelgröße basierend auf der Zustandsraumdarstellung regelt. Dabei wird der Zustand der Regelstrecke durch Messung oder durch einen Beobachter der Regelstrecke zugeführt. Dabei wird das Verfahren auch Regelung durch Zustandsrückführung genannt. Zustandsregelungen können beispielsweise in Systemen zum Einsatz kommen, für die eine Berechnung des Reglers im Frequenzbereich nicht oder nur unter Schwierigkeiten anwendbar ist. Dies können beispielsweise nichtlineare, sowie zeitinvariante Systeme ebenso wie Mehrgrößensysteme sein.
Wichtungsgröße:
Jedweder Parameter, der den zeitlichen Verlauf einer Regelgröße beeinflussen kann, kann im Rahmen der Erfindung eine Wichtungsgröße sein. Dabei sind Wichtungsgrößen keine Anfangswerte für Regelparameter.
Geschwindigkeit:
Mit Geschwindigkeit ist im Folgenden derjenige oder diejenigen Parameter des Ist-Kurvenverlaufs einer Regelgröße gemeint, welche die zeitliche Annäherung der Regelgröße hin zum Sollwert charakterisieren. Beispielsweise kann darunter eine Halbwertszeit verstanden werden, in welcher der Ist-Wert der Regelgröße den halben Sollwert erreicht hat. Dabei kann die Geschwindigkeit eine Wichtungsgröße sein.
Dämpfung:
Mit Dämpfung ist im Folgenden derjenige oder diejenigen Parameter des Ist-Kurvenverlaufs gemeint, die den Übergang der Kurve hin zu dem Sollwert bestimmen. Damit wird der Sättigungsbereich der Ist-Größe nahe dem Sollwert beschrieben. Dabei kann die Dämpfung eine Wichtungsgröße sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Zustandsregelsystem in einem Regelkreis zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung angegeben, wobei das Zustandsregelsystem einen Zustandsregler und eine Eingabevorrichtung zur benutzerseitigen Bestimmung eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen aufweist. Weiterhin weist der Zustandsregler eine Recheneinheit zur Minimierung einer Regelabweichung auf, wobei die Recheneinheit derart ausgeführt ist, dass die Minimierung auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen erfolgt. Weiterhin ist die Recheneinheit derart ausgeführt, dass mittels der Minimierung Regelkoeffizienten des Regelkreises dem Zustandsregler zum Erreichen eines Sollwertes der Regelgröße bereitgestellt werden.
Mit anderen Worten kann der Benutzer die vordefinierten Wichtungsgrößen, oder auch Wichtungsfaktoren in ihrem jeweiligen Wert durch das Zustandsregelsystem bestimmen. Die Wichtungsgrößen werden dann durch die Recheneinheit verwendet, um die Regelkoeffizienten des Regelkreises derart zu bestimmen, dass die Werte der vordefinierten Wichtungsgrößen erreicht werden. Beispielsweise kann es sich bei den vordefinierten Wichtungsgrößen um die Geschwindigkeit und Dämpfung des zeitlichen Verlaufs der Regelgröße handeln.
Grundlage hierfür ist die Übertragungsfunktion der geregelten Strecke. Weiterhin können Parameter der Übertragungsfunktion berechnet werden. Um letztlich alle Parameter der Regelung zu bestimmen wird die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises in den Zustandsraum transformiert. Mittels der algebraischen (stationären) Riccati-Gleichung werden die Parameter in Hinsicht auf optimales Regelverhalten bestimmt. Wichtet man die Regelgröße, deren zeitliche Ableitung und die Wichtungsfaktoren in gewissen Grenzen, so erhält man die „passenden” Regelkoeffizienten. Dabei sind die die Streckendynamik beschreibenden Parameter vorgegeben. Die Wichtungsfaktoren sind dabei in vorher bestimmten Grenzen vom Anwender graphisch vorgebbar.
Mit anderen Worten wird mittels der Bestimmung des Wertesatzes der vordefinierten Wichtungsgrößen ein gewünschter zeitlicher Kurvenverlauf der Regelgröße ausgewählt, zu dem anschließend durch die Recheneinheit die Regelkoeffizienten des Regelkreises so bestimmt werden, dass bei einem späteren Betätigen der Vorrichtung dieser Verlauf der Regelgröße erreicht wird. Dabei werden nur solche Koeffizienten Kombinationen durch den Zustandsregler zugelassen, die auch die Stabilität der Vorrichtung gewährleisten.
Beispielsweise kann der Regelkreis bzw. die Regelstrecke durch eine Differentialgleichung beschrieben werden, die beispielsweise sieben zu bestimmende Koeffizienten aufweist. Aber auch jede andere Anzahl von Koeffizienten ist möglich. Mit Hilfe des benutzerbestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen, die den gewünschten zeitlichen Verlauf der Regelgröße festlegen, kann eine einfache Parametrierung eines Zustandsreglers durch Zusammenfassen von diesen sieben Regelparametern auf z. B. nur zwei einzugebende Werte für die Wichtungsgrößen, z. B. Geschwindigkeit und Dämpfung, erreicht werden. Nach der Minimierung einer Regelabweichung, welche aufgrund der Werte der vordefinierten Wichtungsgrößen erfolgt, stellt die Recheneinheit die sieben bestimmten Koeffizienten der sieben Regelparameter dem Zustandsregler zur Verfügung, so dass damit der gewünschte Ist-Kurvenverlauf der Regelgröße realisiert werden kann. Weiterhin kann auch eine Auswahl durch den Benutzer dahin gehend erfolgen, dass er verschiedene Wichtungsgrößen selbst vorgibt und dann ihren Wert bestimmt. Er kann somit zwischen verschiedenen, alternativen Wichtungsgrößen wählen.
Dabei kann jede beliebige mathematische Berechnungsmethode numerischer oder analytischer Art, sowie auch Näherungsverfahren verwendet werden, die eine Bestimmung einer Regelabweichung durch das gewählte Gütefunktional zulassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Minimierung eine analytische Minimierung einer quadratischen Regelabweichung.
Dabei kann beispielsweise mittels der algebraischen Riccati-Gleichung die quadratische Regelabweichung durch die Recheneinheit benutzt werden, um analytisch auf Basis der vom Benutzer bestimmten Werte der Wichtungsgrößen die Regelkoeffizienten des Regelkreises zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung eine pneumatische Schweißzange, und die Regelgröße ist eine Schließkraft der pneumatischen Schweißzange.
Mit anderen Worten ist mit diesem Ausführungsbeispiel des Zustandsregelsystems eine vereinfachte Parametrierung des Zustandsreglers durch Zusammenfassung von mehreren Regelparametern zu einer geringeren Anzahl der Wichtungsgrößen gegeben, und es kann mittels des Zustandsreglers eine schnelle übersichtliche und für ungeübtes Personal handhabbare und fehlerunanfällige Regelung der Schließkraft der pneumatischen Zange angegeben werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Zustandsregelsystem ausgeführt, die Regelung der Schließkraft der pneumatischen Schweißzange mittels zweier Druckgrößen von Zylinderkammern symmetrisch über jeweilige Druckregelventile der Druckkammern zu steuern.
Mit anderen Worten kann mittels des erfindungsgemäßen Zustandsregelsystems eine mathematisch aufwendige und für ungeübtes Personal nicht handhabbare Auswahl der Regelkoeffizienten einer Differentialgleichung der beiden Druckgrößen der Schweißzange mit beispielsweise sieben Regelkoeffizienten verhindert werden. Durch die Bestimmung des zeitlichen Kurvenverlaufs der Regelgröße Schließkraft durch die Wahl der beispielhaften Wichtungsgrößen Geschwindigkeit und Dämpfung gibt der Benutzer der Recheneinheit in gewissem Maße einen gewünschten Kurvenverlauf vor. Daraufhin errechnet die Recheneinheit die sieben Regelkoeffizienten. Damit wird die Ansteuerung des pneumatischen Drucks p1 und p2 in den zwei Zylinderkammern der Schweißzange während der Steigerung der Schließkraft von einem Wert 0 bis zu einem Sollwert der Regelgröße Schließkraft vorgegeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Regelkreis der pneumatischen Schweißzange durch zwei Druckgrößen der Zylinderkammer der Schweißzange, mathematische zeitliche Ableitungen der beiden Druckgrößen, einen Sollwert der Schließkraft und entsprechende Koeffizienten beschrieben.
Mit anderen Worten kann die Regelung der Schließkraft einer pneumatischen Schweißzange beispielsweise mittels der folgenden Gleichung beschrieben werden: S Fsoll – (k1p1 + k2p'1 + k3p''1 + k4p2 + k5p'2 + k6p''2) = U
Dabei beschreibt der Term auf der linken Seite die Regelabweichung, welche durch die geeignete Wahl der sieben Koeffizienten durch die Recheneinheit minimiert wird. Die beiden Druckgrößen, p₁ und p₂, welche den Druck in den beiden Zylindernkammern der Schweißzange beschreiben, bestimmen zusammen mit ihren zeitlichen Ableitungen, p'₁, p''₁, p'₂, p''₂, und entsprechenden Koeffizienten den zeitlichen Verlauf der Schließkraft der pneumatischen Zange. Es handelt sich somit um eine bekannte, lineare Druckregelstrecke. Dabei stellen F_soll die Sollkraft und S sowie k₁ bis k₆ die sieben Regelkoeffizienten dar. U hingegen bildet die so genannte Stellgröße, welche die Regelabweichung abbildet. Mittels der vereinfachten Parametrierung können somit S sowie k₁ bis k₆ durch die Recheneinheit auf Basis der vorgegebenen Wichtungsgrößen errechnet werden, so dass der gewünschte Ist-Kurvenverlauf erreicht wird. Somit kann umgangen werden, dass durch den Benutzer alle sieben Koeffizienten dieser Differentialgleichung angegeben werden müssen, um die Schließkraft zu regeln. Durch die Vorgabe des Wertesatzes der vordefinierten Wichtungsgrößen wird mittels der Recheneinheit auf Basis der Wichtungsgrößen der komplette Satz der Regelkoeffizienten bereitgestellt, und der gewünschte Istwertverlauf der Regelgröße Schließkraft kann erfolgen.
Grundlage hierfür ist die symmetrische Ansteuerung beider Druckregelventile. Alternativ wäre auch die Ansteuerung nur eines Druckregelventils möglich, wobei der Druck der anderen Kammer konstant gehalten wird. Im Falle einer symmetrischen Ansteuerung, wären damit 7 Parameter zu bestimmen. Die Übertragungsfunktion der geregelten Strecke lässt sich nunmehr durch
beschreiben. Dabei ist s der Laplace Operator und S, wie oben beschrieben der Regelkoeffizient der Sollkraft (Vorfilter auf Stationarität). Dabei können einfach berechnet werden:
Um die letzten 3 Parameter zu bestimmen, ist es nötig die Übertragungsfunktion in den Zustandsraum zu transformieren und anhand der algebraischen (stationären) Riccati-Gleichung die Parameter in Hinsicht auf optimales Regelverhalten zu erhalten. q₁ ist dabei die Wichtungsgröße für F, q₂ für F' und q₃ für F''. Wichtet man die Zustände F, F' und setzt einfacherweise q₃ = 0 in gewissen Grenzen, so erhält man die dazu „passenden” Regelkoeffizienten. Mit anderen Worten Wichtet man lediglich die Kraft und deren zeitliche Ableitung, den Kraftaufbau. Daraus folgt für die Regelkoeffizienten:
k₂ folgt aus Nullstellenbestimmung aus
Dabei ist A₁ die Kolbenfläche Deckelkammer, A₂ ist die Kolbenfläche Bodenkammer und a_p0, a_p1, a_p2 beschreiben die Streckendynamik der beiden Druckregelventile (beide gleich eingestellt). r ist eine Konstante. „p” ist Teil der Lösungsmatrix der Riccati-Gleichung. Die Wichtungsfaktoren q₁ und q₂ sind dabei in vorher bestimmten Grenzen vom Anwender graphisch vorgebbar, beispielsweise über Schieberegler. Dabei können diese beiden Wichtungsfaktoren beispielsweise Geschwindigkeit und Dämpfung sein. Damit ist die erfindungsgemäße vereinfachte Parametrierung eines Zustandsreglers möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Bestimmung des Wertesatzes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus grafischer Bestimmung mittels digitaler Schieberegler und numerischer Bestimmung. Weiterhin ist die Recheneinheit derart ausgeführt, dass zumindest eine grafische Simulation eines Ist-Kurvenverlaufs der Regelgröße aufgrund des Wertesatzes erfolgt und die Simulation einem Benutzer zur verbesserten endgültigen Bestimmung des Wertesatzes zur Verfügung gestellt wird.
Mit anderen Worten kann mittels dieses Ausführungsbeispiels des Zustandsregelsystems durch die Wahl der Wichtungsgrößen durch den Benutzer eine Grafik erzeugt werden, in der die Regelgröße und deren zeitlicher Verlauf erzeugt wird. Durch mehrere Eingaben verschiedener Wertesätze der Wichtungsgrößen kann sich der Benutzer verschiedene sich daraus ergebende Kurvenverläufe der Regelgröße anzeigen lassen, bevor er die endgültigen Werte der Wichtungsgrößen festlegt. Dadurch findet eine optimierende Vorauswahl durch den Benutzer hinsichtlich des Wertesatzes der Wichtungsgrößen statt.
Dabei kann es verschiedene Möglichkeiten geben, wie der Benutzer den Wertesatz der Wichtungsgrößen auswählt, beispielsweise können digitale Schieberegler auf einer anzeigenden Oberfläche eines Computers oder einer Steuereinheit vorgesehen sein, aber auch eine numerische Eingabe über eine Tastatur ist möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine pneumatische Schweißzange mit einem Zustandsregelsystem angegeben.
Um die Bedienung einer pneumatischen Schweißzange schnell, übersichtlich, fehlerunanfällig und für ungeübtes Personal handhabbar zu machen, kann die Dynamik einer pneumatischen Schweißzange hinsichtlich ihrer Schließkraft mittels dieser vereinfachten Parametrierung des Zustandsreglers durch das Zustandsregelsystem erreicht werden. Diese Kombination der Erfindung aus grafischer Bestimmung des gewünschten Ist-Kurvenverlaufs der Schließkraft hin zu dem Sollwert und anschließender Minimierung einer Regelabweichung der Schließkraft ermöglicht eine verbesserte Handhabung und eine fehlerfreiere Parametrierung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in einer Eingabevorrichtung eines Zustandsreglers, Minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen, Bereitstellen von Regelkoeffizienten des Regelkreises an den Zustandsregler durch die Recheneinheit, sowie Regeln von Parameter durch den Zustandsregler zur Erreichung eines Sollwerts der Regelgröße.
Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren als eine vereinfachte Parametrierung eines Zustandsreglers durch Zusammenfassung von den zu bestimmenden Regelkoeffizienten auf die vordefinierten Wichtungsgrößen angesehen werden. Dabei kann eine graphische Eingabe der Wichtungsgrößen für die Ansteuerung einer Vorrichtung folgende Vorteile haben. Es können Parametrierungsfehler durch den Benutzer vermieden werden. Ebenso können die Koeffizienten schneller ermittelt werden. Es kann sich dabei um eine Zustandsregelung handeln.
Dabei ist es auch möglich, dass die Wichtungsgrößen in einem ersten Schritt durch den Benutzer ausgewählt werden. Somit muss beispielsweise nicht die Geschwindigkeit und Dämpfung eines Ist-Kurvenverlaufs der Regelgröße zwingend vorgegeben sein, sondern der Benutzer kann sich andere Wichtungsgrößen, die den zeitlichen Verlauf der Regelgröße bestimmen, auswählen. Dabei werden nur solche Kombinationen von Wichtungsgrößen, mit anderen Worten nur solche Wertesätze zugelassen, welche die Stabilität des Systems sicherstellen. Eine Erreichung einer Instabilität des Systems kann somit vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Minimieren als analytisches Minimieren einer quadratischen Regelabweichung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren auf eine pneumatische Schweißzange angewendet, wobei die Regelgröße eine Schließkraft der pneumatischen Schweißzange ist.
Damit wird die erfindungsgemäße Idee auf das Regeln der Schließkraft einer pneumatischen Schweißzange angewendet. Unter Kenntnis der linearen Streckendynamik der pneumatischen Schweißzange wird die Handhabbarkeit des Zustandsreglers deutlich vereinfacht. Damit kann auch vom Laien ohne großen theoretischen Hintergrund die Regelung an Systemen höherer Ordnung sichergestellt werden. Z. B. kann der Parameterumfang eines Zustandsreglers sechster Ordnung mit dem dazugehörigen Vorfilter (= sieben Parameter) durch Reduktion auf z. B. zwei Wichtungsgrößen der pneumatischen Schweißzange reduziert werden. Somit kann man durch eine grafische Eingabe der Wichtungsfaktoren in Bezug auf den Kraftregler in symmetrischer Aussteuerung besondere Vorteile erlangen. Es wird eine sichere Parametrierung des Kraftreglers der pneumatischen Schweißzange ermöglicht. Ebenso ist eine schnelle, einfache und intuitive Bedienung des Reglers bzw. der Schweißzange möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Regelkreis der pneumatischen Schweißzange durch zwei Druckgrößen der Zylinderkammern der Schweißzange, mathematische zeitliche Ableitungen der beiden Druckgrößen, einen Sollwert der Schließkraft und entsprechende Koeffizienten gegeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein Computerprogrammelement gespeichert, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die vorangegangenen Schritte durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Computerprogrammelement angegeben, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitete, die vorangegangenen Schritte zu veranlassen.
Dabei kann das Computerprogrammelement zum Beispiel Teil einer Software sein, die auf einem Prozessor der pneumatischen Schweißzange gespeichert ist. Ebenso kann das Computerprogrammelement in einer Steuereinheit oder einer Computereinheit verwendet werden, welche in Kombination mit dem Zustandsregler die pneumatische Schweißzange regelt und steuert. Weiterhin umfasst dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Computerprogrammelement, welches schon von Anfang an die Erfindung verwendet, sowie auch ein Programmelement, welches durch ein Update ein bestehendes Programm zur Verwendung der Erfindung veranlasst.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” und „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit dem Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN:
1 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Schiebereglers für Wichtungsgrößen sowie zwei zeitliche Ist-Kurvenverläufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung zweier Schieberegler, wie sie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden.
3 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Regelkreises mit einem Zustandsregelsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 und 5 zeigen eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines zeitlichen Kurvenverlaufs einer Regelgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Zylinders einer Schweißzange gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung einer pneumatischen Schweißzange gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Flussdiagramms gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt eine Eingabevorrichtung 100 mit zwei Schiebereglern 1031, 1032 eines Zustandsregelsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Weiterhin ist ein Koordinatensystem 101 mit zwei unterschiedlichen Ist-Kurvenverläufen 1021, 1022 der Regelgröße für zwei verschiedene Wertesätze der Wichtungsgrößen gezeigt. Dabei zeigt t1 105 die Halbwertszeit der ersten Kurve 1021 an und t2 106 die zweite Halbwertszeit der zweiten Kurve 1022. Dies ist das Ergebnis zweier unterschiedlicher Einstellung der Wichtungsgröße Geschwindigkeit. Ebenso weisen die beiden Kurven zwei unterschiedliche Übergange 107 und 108 zu dem Sollwert hin auf. Dies entspricht unterschiedlichen Werten der Wichtungsgröße Dämpfung.
2 zeigt ebenso zwei Schieberegler 1031, 1032, mit welchen die Werte der Wichtungsgrößen einzeln und unabhängig voneinander eingegeben werden können. Dabei ist mit 104 eine Werteskala der Wichtungsgrößen gezeigt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Regelkreises 300, in welchem ein Zustandsregelsystem 301 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist. Dabei beinhaltet das Zustandsregelsystem 301 eine Eingabevorrichtung 100 sowie eine Recheneinheit 302, die beispielsweise als CPU oder auch als vollständiger PC ausgeführt sein kann. 303 zeigt einen Zustandsregler, der durch die Recheneinheit 302 und die Eingabevorrichtung 100 zu dem Zustandsregelsystem 301 ergänzt wird. Es ist weiterhin die Regelstrecke 304 gezeigt, sowie die Rückkopplung 305 und die Regelgröße 306. Mögliche Störeinflüsse von außerhalb des Systems sind mit dem Pfeil 307 symbolisiert. Mittels des Eingebens eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer über die Eingabevorrichtung 100 des Zustandsregelsystems und anschließender Minimierung einer Regelabweichung durch die Recheneinheit 302 auf Basis der Wichtungsgrößen können die Regelkoeffizienten dem Zustandsregler 303 bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann mit dem erfindungsgemäßen Zustandsregelsystem unter Kenntnis der linearen Streckendynamik die Handhabbarkeit des Zustandsreglers deutlich vereinfacht werden. Damit können auch vom Laien ohne theoretischen Hintergrund Regler an Systemen höherer Ordnung eingestellt werden. Durch das Eingeben eines Wertesatzes von Wichtungsgrößen kann eine einfache Parametrierung des Zustandsreglers durch Zusammenfassung der zu bestimmenden Regelkoeffizienten zu beispielsweise nur zwei Einstellungen an zwei Schiebereglern zusammengefasst werden. Mit anderen Worten kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch den erfindungsgemäßen Zustandsregler 301 eine grafische Parametrierung durch den Anwender vorgenommen werden, bei dem anschließend die gesuchten Regelkoeffizienten derart bestimmt werden, dass der gewünschte Istwertverlauf der Regelgröße 306 erreicht wird. Mit Hilfe dieser Eingabevorrichtung kann sicher, einfach und stabil parametriert werden. Dabei können als Wichtungsgrößen über die Eingabevorrichtung 100 beispielsweise Geschwindigkeit sowie Dämpfung als Hauptmerkmale der Regelung vorgegeben werden. Diese Merkmale können auch für Personen ohne näheren technischen Hintergrund aussagekräftig sein, so dass durch intuitives Verstellen an der Eingabevorrichtung 100 auch solche Personen befähigt werden, komplizierte Regler bzw. Zustandsregler zu parametrieren. Danach erfolgt durch die Recheneinheit 302 ein Zurückführen der Vorgabewerte Geschwindigkeit und Dämpfung auf die eigentlichen Regelparameter rein analytisch und unter der Vorraussetzung, dass die zu regelnde Strecke linear und bekannt ist.
4 und 5 zeigen schematische, zweidimensionale Darstellungen eines Koordinatensystems 101, in dem verschiedene zeitliche Kurvenverläufe 1021 bis 1028 gezeigt sind, die verschiedenen Werten der Wichtungsgrößen Geschwindigkeit v und Dämpfung D 400 entsprechen. Dabei ist auf der Ordinate die normierte Regelgröße in einem Bereich von 0 bis 1 aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden im Bereich von 0 s bis 0,25 s bzw. in 5 von 0 s bis 0,3 s aufgetragen. Kurvenverlauf 1021 zeigt beispielsweise einen überschwingenden Bereich über den Sollwert der Regelgröße (entspricht hier dem Wert 1 auf der Ordinate) hinaus. Durch die Simulation mit verschiedenen Werten für die Wichtungsgröße kann der Benutzer die Regelkoeffizienten so bestimmen lassen, dass ein solches Überschwingen später bei der tatsächlichen Regelung der Vorrichtung vermieden wird. Mit anderen Worten kann der Benutzer aufgrund der Einstellung an der Eingabevorrichtung, sich den entsprechenden Ist-Kurvenverlauf der Regelgröße anzeigen lassen und anschließend nach einer solchen Simulation einen geeigneten oder optimalen Wertesatz der Wichtungsgrößen auswählen und die dazugehörigen Regelkoeffizienten durch die Recheneinheit bestimmen lassen.
Dabei werden durch den Zustandsregler bzw. durch die Recheneinheit nur solche Kombinationen von Wichtungsgrößen zugelassen, welche die Stabilität des Systems beispielsweise einer pneumatischen Schweißzange mit der Schließkraft als Regelgröße sicherstellen. Die bestimmenden Verläufe waren der Druck in einer ersten und zweiten Zylinderkammer p₁ und p₂. Die gezeigten Kurven können somit als Beispiel für eine symmetrisch angesteuerte lineare Strecke (Duckverlauf innerhalb eines Zylinders einer pneumatischen Schweißzange) sechster Ordnung handeln, die durch den erfindungsgemäßen Zustandsregler geregelt wird. Dabei können beispielsweise die Vorgaben Geschwindigkeit und Dämpfung prozentual eingegeben werden. Prozentual kann in diesem Fall bedeuten, dass der maximal zulässige Parameter sich auf einen sinnvollen Maximalwert wie zum Beispiel maximale Stellgröße oder maximale Stellenergie bezieht. Mathematisch führen alle Konstellationen der Parameter zu theoretischer Stabilität. Stellgrößenbegrenzungen und andere reale Effekte im System selbst können das System jedoch in der geforderten Stabilität beeinflussen. Daher können sinnvolle Maximalwerte für Geschwindigkeit und Dämpfung als so genannte Tuningparameter gewählt werden.
6 zeigt eine Darstellung eines Zylinders einer pneumatischen Schweißzange 600. Mittels des erfindungsgemäßen Zustandsregelsystem 301 kann eine erfindungsgemäße Parametrierung erfolgen, so dass ein Benutzer schnell, übersichtlich, handhabbar und fehlerunanfällig eine Parametrierung der Schweißzange vornehmen kann. Dabei kann mittels des erfindungsgemäßen Zustandsregelsystem 301 oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Druckgrößen p₁ und p₂ in der ersten Zylinderkammer 604 und zweiten Zylinderkammer 605 derart geregelt werden, dass der zuvor über die Festlegung der Wichtungsgrößen gewünschte Ist-Kurvenverlauf der Schließkraft erreicht wird. Dabei kann die Dynamik der Druckgrößen für den gewünschten Schließkraftverlauf mit Hilfe von Druckregelventilen 602 und 603 gesteuert und geregelt werden. Dabei übertragen die Kolbenstangen 601 die erzeugte Kraft auf die Arme der pneumatischen Schweißzange. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Zustandsregelsystem 301 auch in einem hydraulischen System eingesetzt werden.
Weiterhin kann das Zustandsregelsystem 301 in einem komplexen System 608 eingebunden sein, welches für den Antrieb der Schweißzange und die Erzeugung der gezeigten Druckgrößen verantwortlich ist.
7 zeigt eine schematische, dreidimensionale Darstellung einer pneumatischen Schweißzange 700. Dabei ist Zylinder 600 der pneumatischen Schweißzange sowie das Zustandsregelsystem 301 gezeigt. Unter Kenntnis der linearen Streckendynamik kann mittels des Zustandsregelsystem 301 eine erfindungsgemäße grafische Parametrierung vorgenommen werden. Durch Anpassen bzw. Regeln des Drucks in den beiden Zylinderkammern durch den Zustandsregler, kann die gewünschte Ist-Kurve der Schließkraft realisiert werden.
8 zeigt eine Flussdiagramm eines Verfahrens gemäße einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist S1 der Schritt eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in eine Eingabevorrichtung eines Zustandsregelsystems, sowie mit S2 minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen gezeigt. S3 bedeutet bereitstellen von Regelkoeffizienten des Regelkreises an einen Zustandsregler durch die Recheneinheit. Das Regeln durch den Zustandsregler zur Erreichung eines Sollwertes der Regelgröße ist mit S4 gezeigt. Das Zurückführen der Vorgabewerte oder Wichtungsgrößen auf die eigentlichen Reglerparameter erfolgt mathematisch und unter der Voraussetzung, dass die zu regelnde Strecke linear und bekannt ist. Mathematisch führen alle Konstellationen der Parameter zu theoretischer Stabilität. Damit kann eine vereinfachte und sichere Parametrierung des Zustandsreglers mittels des Zustandsregelsystems erfolgen.

100: Eingabevorrichtung
101: Koordinatensystem
1021–1028: Zeitliche Ist-Kurvenverläufe einer Regelgröße
1031, 1032: Schieberegler
104: Werteskala der Wichtungsgrößen
105: Erste Halbwertszeit/Geschwindigkeit
106: Zweite Halbwertszeit/Geschwindigkeit
107: Erster Übergang zum Sollwert/Dämpfung
108: Zweiter Übergang zum Sollwert/Dämpfung
300: Regelkreis
301: Zustandsregelsystem
302: Recheneinheit
303: Zustandsregler/Regler
304: Regelstrecke
305: Rückkopplung
306: Regelgröße
307: mögliche Störeinflüsse
400: verschiedene Werte der Wichtungsgrößen Geschwindigkeit v und Dämpfung D
401: Achse der normierten Regelgröße
402: Sollwert der Regelgröße
600: Zylinder einer pneumatischen Schweißzange
601: Kolbenstange
602: Druckregelventil 1
603: Druckregelventil 2
604: erste Zylinderkammer
605: zweite Zylinderkammer
606: erste Leitung
607: zweite Leitung
608: System zum Antrieb der Schweißzange/zum Erzeugen der Druckgrößen P1 und P2
700: pneumatische Schweißzange
S1–S4: Verfahrensschritte

Claims

Zustandsregelsystem (301) in einem Regelkreis zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung, das Zustandsregelsystem aufweisend: einen Zustandsregler (303); eine Eingabevorrichtung (100) zur benutzerseitigen Bestimmung eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen; eine Recheneinheit (302) zur Minimierung einer Regelabweichung; wobei die Recheneinheit derart ausgeführt ist, dass die Minimierung auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen erfolgt; und wobei die Recheneinheit derart ausgeführt ist, dass mittels der Minimierung Regelkoeffizienten des Regelkreises dem Zustandsregler zum Erreichen eines Sollwertes der Regelgröße bereitgestellt werden.
Zustandsregelsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Minimierung eine analytische Minimierung einer quadratischen Regelabweichung ist.
Zustandsregelsystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Vorrichtung eine pneumatische Schweißzange ist; und wobei die Regelgröße eine Schließkraft der pneumatischen Schweißzange (700) ist.
Zustandsregelsystem gemäß einem der Ansprüche 3, wobei der Zustandsregler ausgeführt ist, die Regelung der Schließkraft der pneumatischen Schweißzange mittels zweier Druckgrößen von Zylinderkammern symmetrisch über jeweilige Druckregelventile der Druckkammern zu steuern.
Zustandsregelsystem gemäß Anspruch 4, wobei der Regelkreis der pneumatischen Schweißzange durch die zwei Druckgrößen der Zylinderkammern der Schweißzange, mathematische zeitliche Ableitungen der beiden Druckgrößen, einen Sollwert der Schließkraft und entsprechende Koeffizienten beschrieben ist.
Zustandsregelsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bestimmung des Wertesatzes ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus graphischer Bestimmung mittels digitaler Schieberegler (103) und numerischer Bestimmung; und wobei die Recheneinheit derart ausgeführt ist, dass zumindest eine grafische Simulation eines Ist-Kurvenverlaufs (102) der Regelgröße auf Grund des Wertesatzes erfolgt; und wobei die Simulation einem Benutzer zur verbesserten, endgültigen Bestimmung des Wertesatzes zur Verfügung gestellt wird.
Pneumatische Schweißzange mit einem Zustandsregelsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Regelung einer Regelgröße einer Vorrichtung, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte: eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in eine Eingabevorrichtung eines Zustandsregelsystems (S1); minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen (S2); bereitstellen von Regelkoeffizienten des Regelkreises an einen Zustandsregler durch die Recheneinheit (S3); regeln von Parameter durch den Zustandsregler zur Erreichung eines Sollwertes der Regelgröße (S4).
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Minimieren als analytisches Minimieren einer quadratischen Regelabweichung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Vorrichtung eine pneumatische Schweißzange ist; und wobei die Regelgröße eine Schließkraft der pneumatischen Schweißzange ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Regelkreis der pneumatischen Schweißzange durch zwei Druckgrößen zweier Zylinderkammern der Schweißzange, mathematische zeitliche Ableitungen der beiden Druckgrößen, einen Sollwert der Schließkraft und entsprechende Koeffizienten gegeben ist.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogrammelement gespeichert ist, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in eine Eingabevorrichtung eines Zustandsreglers; minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen; bereitstellen von Regelkoeffizienten des Regelkreises an den Zustandsregler durch die Recheneinheit; regeln von Parametern durch den Zustandsregler zur Erreichung eines Sollwertes der Regelgröße.
Computerprogrammelement, das, wenn es auf einem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die folgenden Schritte zu veranlassen: eingeben eines Wertesatzes von vordefinierten Wichtungsgrößen durch einen Benutzer in eine Eingabevorrichtung eines Zustandsreglers; minimieren einer Regelabweichung durch eine Recheneinheit auf Basis des bestimmten Wertesatzes der Wichtungsgrößen; bereitstellen von Regelkoeffizienten des Regelkreises an den Zustandsregler durch die Recheneinheit; regeln von Parameter durch den Zustandsregler zur Erreichung eines Sollwertes der Regelgröße.