DE102019201798A1

DE102019201798A1 - Antriebssystem, Trajektorien-Planungseinheit und Verfahren

Info

Publication number: DE102019201798A1
Application number: DE102019201798.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Nitsche; Matthias Joachimsthaler; Fabian Wiek
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-13
Also published as: FI20205130A1; US11573554B2; US20200257262A1; CN111552228A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (10), insbesondere für die Prozessautomatisierung, umfassend: eine Trajektorien-Planungseinheit (3), die ausgebildet ist, auf Basis eines Sollwertsignals (xs) ein Trajektoriensignal (xd) bereitzustellen, und eine ein Aktorglied (1), insbesondere ein Ventilglied, umfassende Stelleinheit (2), die ausgebildet ist, auf Basis des Trajektoriensignals (xd) eine Position des Aktorglieds (1) zu steuern und/oder zu regeln. Die Trajektorien-Planungseinheit (3) ist ausgebildet, das Trajektoriensignal (xd) mit einem ersten Signalabschnitt (s1) und einem zweiten Signalabschnitt (s2) bereitzustellen, wobei der erste Signalabschnitt (sl) einen geraden Signalverlauf aufweist und der zweite Signalabschnitt (s2) einen zu dem Sollwertsignal (xs) asymptotischen Signalverlauf aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für die Prozessautomatisierung. Das Antriebssystem umfasst eine Trajektorien-Planungseinheit, die ausgebildet ist, auf Basis eines Sollwertsignals ein Trajektoriensignal bereitzustellen. Das Antriebssystem umfasst ferner eine Stelleinheit, die ein Aktorglied, insbesondere ein Ventilglied, umfasst. Die Stelleinheit ist ausgebildet, auf Basis des Trajektoriensignals eine Position des Aktorglieds zu steuern und/oder zu regeln.
Bei dem Antriebssystem handelt es sich vorzugsweise um ein fluidisches Antriebssystem. Bei der Stelleinheit handelt es sich vorzugsweise um eine fluidische Stelleinheit. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Antriebssystem auch um ein elektrisches Antriebssystem und/oder bei der Stelleinheit um eine elektrische Stelleinheit handeln.
Die Stelleinheit umfasst insbesondere eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit die ausgebildet ist, auf Basis einer Sollwertvorgabe eine Steuerung und/oder Regelung der Position des Aktorglieds durchzuführen. Das Trajektoriensignal dient zweckmäßigerweise als die Sollwertvorgabe für die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit. Die Trajektorien-Planungseinheit ist der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit insbesondere vorgeschaltet. Zweckmäßigerweise ist die Trajektorien-Planungseinheit zwischen eine das Sollwertsignal bereitstellende Steuereinheit und die Stelleinheit, insbesondere die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit, geschaltet.
Die WO2016/198109A1 beschreibt ein fluidisches Antriebssystem mit einer Bahnplanungseinheit, die auf Basis eines Sollwerts wenigstens einen Bewegungswert für ein Steuermittel und ein Regelmittel bereitstellt.
Eine Aufgabe besteht darin, das eingangs genannte Antriebsystem so zu verbessern, dass ein einfach zu parametrisierendes Trajektoriensignal bereitgestellt wird, mittels dem eine schnelle und sichere Regelung und/oder Steuerung der Position des Aktorglieds ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebssystem gemäß Anspruch 1. Die Trajektorien-Planungseinheit des Antriebssystems ist ausgebildet, das Trajektoriensignal mit einem ersten Signalabschnitt und einem zweiten Signalabschnitt bereitzustellen, wobei der erste Signalabschnitt einen geraden Signalverlauf aufweist und der zweite Signalabschnitt einen zu dem Sollwertsignal asymptotischen Signalverlauf aufweist.
Ein solches Trajektoriensignal kann sehr einfach parametriert werden. Wie nachstehend noch im Detail erläutert, werden für die Parametrisierung eines solchen Trajektoriensignal zweckmäßigerweise nur zwei oder nur ein Parameter benötigt, um das Trajektoriensignal beispielsweise für eine bestimmte Anwendung und/oder eine bestimmte Stelleinheit anzupassen. Als Parameter werden beispielsweise nur ein Maximalgeschwindigkeitswert des Aktorglieds und/oder ein Signalparameter zur Einstellung, bei welchem Signalwert des Trajektoriensignals und/oder zu welchem Zeitpunkt der erste Signalabschnitt endet und/oder der zweite Signalabschnitt beginnt, benötigt. Aus diesen beiden Parametern ergibt sich (auf Basis des Sollwertsignals) zweckmäßigerweise sowohl der ersten Signalabschnitt wie auch der zweite Signalabschnitt. Das Trajektoriensignal lässt sich daher sehr einfach und mit sehr geringem Aufwand parametrisieren. Zweckmäßigerweise ist das Antriebssystem ausgebildet, die Parametrisierung automatisiert durchzuführen, indem beispielsweise der Maximalgeschwindigkeitswert im Rahmen einer Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur automatisch ermittelt wird.
Ferner kann durch ein solches Trajektoriensignal eine schnelle und zugleich sichere Steuerung und/oder Regelung des Aktorglieds erzielt werden. Durch den ersten Signalabschnitt mit dem geraden Verlauf kann erreicht werden, dass das Aktorglied mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit, insbesondere seiner maximalen Geschwindigkeit, hin zu dem angestrebten Sollwert bewegt wird. Durch den zweiten Signalabschnitt mit dem asymptotischen Verlauf kann gewährleistet werden, dass kein Überschwingen des Aktorglieds über den vorgegebenen Sollwert hinaus erfolgt und somit eine sichere Steuerung und/oder Regelung gegeben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner eine Trajektorien-Planungseinheit zur Bereitstellung eines Trajektoriensignals zur Steuerung und/oder Regelung einer Position eines Aktorglieds, wobei die Trajektorien-Planungseinheit umfasst: einen Planungseinheit-Eingang zur Eingabe eines Sollwertsignals, einen Planungseinheit-Ausgang zur Ausgabe des Trajektoriensignals, und eine zwischen den Planungseinheit-Eingang und den Planungseinheit-Ausgang geschaltete Verzögerungseinheit mit einem Integrierglied. Die Trajektorien-Planungseinheit umfasst ferner eine vor das Integrierglied geschaltete Begrenzungseinheit.
Zweckmäßigerweise wird die Trajektorien-Planungseinheit in einem hier beschriebenen Antriebssystem zur Bereitstellung des Trajektoriensignals eingesetzt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Position eines Aktorglieds eines Antriebssystems, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Sollwertsignals für die Position des Aktorglieds, Bereitstellen eines Trajektoriensignals auf Basis des Sollwertsignals, wobei das Trajektoriensignal einen ersten Signalabschnitt mit einem geraden Signalverlauf aufweist und einen zweite Signalabschnitt mit einem zu dem Sollwertsignal asymptotischen Signalverlauf aufweist, und Steuern und/oder Regeln der Position des Aktorglieds gemäß dem Trajektoriensignal.
Zweckmäßigerweise wird das Verfahren zum Betrieb eines hier beschriebenen Antriebssystems verwendet und/oder ist gemäß einer hier beschriebenen Ausgestaltung eines Antriebssystems ausgebildet.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Figuren exemplarische Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems,
2 eine schematische Darstellung einer Trajektorien-Planungseinheit,
3 ein Schaubild eines zeitlichen Verlaufs eines Ansteuersignals und ein Schaubild eines zeitlichen Verlaufs einer Position eines Aktorglieds während einer Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur,
4 ein Schaubild eines zeitlichen Verlaufs eines Trajektoriensignals.

Die 1 zeigt ein Antriebssystem 10, das insbesondere für die Prozessautomatisierung dient.
Das fluidische Antriebssystem 10 umfasst eine Stelleinheit 2 mit einem Aktorglied 1, beispielsweise einem Ventilglied. Die Stelleinheit 2 ist ausgebildet, auf Basis eines Trajektoriensignals xd eine Position des Aktorglieds 1 zu steuern und/oder zu regeln.
Bei dem Antriebssystem 10 handelt es sich vorzugsweise um ein fluidisches Antriebssystem. Bei der Stelleinheit 2 handelt es sich vorzugsweise um eine fluidische Stelleinheit. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Antriebssystem 10 auch um ein elektrisches Antriebssystem und/oder bei der Stelleinheit 2 um eine elektrische Stelleinheit handeln.
Das Antriebssystem 10 umfasst ferner eine Trajektorien-Planungseinheit 3, die ausgebildet ist, auf Basis eines Sollwertsignals xs das Trajektoriensignal xd bereitzustellen. Die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist ausgebildet, das Trajektoriensignal xd mit einem ersten Signalabschnitt s1 und einem zweiten Signalabschnitt s2 bereitzustellen. Wie exemplarisch in der 4 gezeigt, weist der erste Signalabschnitt s1 einen geraden Signalverlauf auf und der zweite Signalabschnitt s2 weist einen zu dem Sollwertsignal xs asymptotischen Signalverlauf auf.
Nachstehend werden weitere exemplarische Details erläutert.
Zunächst zum Grundaufbau des Antriebssystems 10:

Das Antriebssystem 10 umfasst exemplarisch eine Steuereinheit 14, bei der es sich vorzugsweise um eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS, handelt.

Die Steuereinheit 14 ist ausgebildet, ein Sollwertsignal xs bereitzustellen. Das Sollwertsignal xs gibt einen Sollwert, insbesondere eine Soll-Position, für das Aktorglied 1 vor. Zweckmäßigerweise umfasst das Sollwertsignal eine zeitliche Abfolge an Sollwerten. Das Sollwertsignal ist insbesondere ein Sprungsignal. Vorzugsweise umfasst das Sollwertsignal einen Signalsprung von einem ersten Sollwert, der eine erste Position vorgibt, zu einem zweiten Sollwert, der eine zweite Position vorgibt. Das Sollwertsignal ist insbesondere ein elektrisches Signal; zweckmäßigerweise ein analoges oder ein digitales Signal.
Das Sollwertsignal xs wird der Trajektorien-Planungseinheit 3 zugeführt. Die Trajektorien-Planungseinheit 3 stellt auf Basis des Sollwertsignals xs das Trajektoriensignal xd bereit.
Das Trajektoriensignal xd wird der Stelleinheit 2 zugeführt. Die Stelleinheit 2 führt auf Basis des Trajektoriensignals xd eine Regelung und/oder eine Steuerung der Position des Aktorglieds 1 durch. Das Trajektoriensignal xd dient insbesondere als Sollwertvorgabe, beispielsweise als Führungsgröße, für die von der Stelleinheit 2 durchgeführte Regelung und/oder Steuerung. Das Trajektoriensignal xd ist insbesondere ein elektrisches Signal; zweckmäßigerweise ein analoges oder ein digitales Signal.
Exemplarisch umfasst die Stelleinheit 2 eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 und einen Aktor 16, der das Aktorglied 1 umfasst. Der Aktor 16 ist insbesondere ein fluidischer Aktor. Bei der Stelleinheit 2 handelt es sich insbesondere um eine Prozessventilbaueinheit.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 ist zweckmäßigerweise als Steuerkopf, Stellungsreglerkopf und/oder einen Positioner ausgeführt. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 ist zweckmäßigerweise an dem Aktor 16 angebracht, insbesondere auf diesen aufgesetzt, und verfügt beispielsweise über eine mechanische Schnittstelle, mit der die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 an dem Aktor 16 befestigt ist.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, auf Basis des Trajektoriensignals xd und/oder des Sollwertsignals xs ein vorzugsweise fluidisches, insbesondere ein pneumatisches oder hydraulisches, Ansteuersignal as bereitzustellen. Das Ansteuersignal as wird dem Aktor 16 zugeführt, um eine Betätigung, insbesondere eine Positionsänderung, des Aktorglieds 1 zu bewirken. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 umfasst zweckmäßigerweise einen elektrofluidischen, insbesondere elektropneumatischen, Wandler zur Erzeugung des Ansteuersignals as.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 ist ausgebildet, den Aktor 16 mit dem Ansteuersignal as derart anzusteuern, dass das Aktorglied 1 eine durch das Trajektoriensignal xd vorgegebene Position einnimmt.
Der Aktor 16 umfasst zweckmäßigerweise ein Ventil, insbesondere ein Prozessventil. Bei dem Aktorglied 1 handelt es sich exemplarisch um das Ventilglied des Ventils. Zweckmäßigerweise umfasst der Aktor 16 ferner einen fluidischen Ventilantrieb. Der fluidische Ventilantrieb umfasst wenigstens eine Druckkammer, die mit dem Ansteuersignal as beaufschlagbar ist, um das Aktorglied 1, insbesondere das Ventilglied, in Bewegung zu versetzen.
Exemplarisch ist das Aktorglied 1, insbesondere das Ventilglied, durch das Ansteuersignal as in eine einem ersten Sollwert entsprechende erste Position, beispielsweise eine geschlossene Stellung, und/oder in eine einem zweiten Sollwert entsprechende zweite Position, beispielsweise eine offene Stellung, versetzbar. Zweckmäßigerweise ist das Aktorglied 1 ferner in eine oder mehrere weitere Stellungen versetzbar.
Die Stelleinheit 2 umfasst zweckmäßigerweise eine Sensoreinheit, beispielsweise einen Positionssensor, anhand dem die Position des Aktorglieds 1 ermittelt werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 ausgebildet, die Regelung der Position des Aktorglieds 1 unter Berücksichtigung des Sensorsignals von der Sensoreinheit durchzuführen. Beispielsweise berücksichtigt die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 das Sensorsignal, insbesondere die erfasste Position des Aktorglieds 1, als Rückführungsgröße bei der Positionsregelung des Aktorglieds 1. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 nutzt das Trajektoriensignal xd insbesondere als Führungsgröße und bildet im Rahmen der durchzuführenden Regelung zweckmäßigerweise die Differenz aus dem Trajektoriensignal xd und der Rückführungsgröße, um eine Regelabweichung zu ermitteln und stellt auf Basis der ermittelten Regelabweichung das Ansteuersignal as bereit, insbesondere derart, dass die Regelabweichung minimal wird.
Alternativ kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 auch ausgebildet sein, auf Basis des Trajektoriensignals xd keine Regelung sondern stattdessen nur eine reine Steuerung durchzuführen, also eine so genannte „open loop“ Steuerung ohne Rückkopplung.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 kann exemplarisch als separate Einheit bereitgestellt sein. Alternativ dazu kann die Trajektorien-Planungseinheit 3 auch zusammen mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 15 in einer Einheit integriert sein, z.B. in einem Steuerkopf, Stellungsreglerkopf und/oder Positioner. Ferner kann die Trajektorien-Planungseinheit 3 in der Steuereinheit 14 integriert sein.
Nachstehend soll näher auf die Trajektorien-Planungseinheit 3 und insbesondere auf das von der Trajektorien-Planungseinheit 3 erzeugte Trajektoriensignal xd eingegangen werden.
Die 4 zeigt einen exemplarischen zeitlichen Verlauf des Trajektoriensignals xd. Auf der horizontalen Achse ist die Zeit t aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist der Signalwert des Trajektoriensignals xd aufgetragen. Das Trajektoriensignal xd hat exemplarisch einen insgesamt monoton, insbesondere streng monotonen Signalverlauf. Exemplarisch verläuft das Trajektoriensignal xd monoton, insbesondere streng monoton, steigend von einem Ausgangswert xs0 zu einem durch das Sollwertsignal xs vorgegebenen Sollwert xsl. Ferner kann das Trajektoriensignal auch monoton, insbesondere streng monoton, fallend verlaufen, insbesondere dann, wenn durch das Sollwersignal xs ein Sprung nach unten und/oder kleiner xs0 vorgegeben wird. Das Trajektoriensignal xd und/oder dessen erste Ableitung ist zweckmäßigerweise stetig, insbesondere über den gesamten ersten Signalabschnitt s1, den gesamten zweiten Signalabschnitt s2 und/oder den Übergang zwischen dem ersten Signalabschnitt s1 und dem zweiten Signalabschnitt s2. Das Trajektoriensignal xd weist vorzugsweise keinen Überschwinger über den Sollwert xsl auf.
Das Trajektoriensignal xd ist zweckmäßigerweise eine Sprungantwort auf einen Sprung des Sollwertsignals xs. Exemplarisch springt das Sollwertsignal xs zum Zeitpunkt t0 auf den Signalwert xsl, zweckmäßigerweise ausgehend von dem Signalwert xs0, beispielsweise von dem Signalwert xs = 0.
Das Trajektoriensignal xd umfasst die beiden Signalabschnitte s1 und s2. Bei den beiden Signalabschnitten s1, s2 handelt es sich um aufeinanderfolgende zeitliche Signalabschnitte, die sich zeitlich nicht überlappen. Zweckmäßigerweise überlappen sich die Signalabschnitte S1 und S2 auch nicht in ihren Signalwerten.
Der erste Signalabschnitt s1 weist einen geraden Signalverlauf auf - hat also insbesondere eine konstante Steigung. Zweckmäßigerweise besteht der erste Signalabschnitt s1 ausschließlich aus einem geraden Signalverlauf. Der erste Signalabschnitt s1 beginnt vorzugsweise bei dem Signalwert xs0, von dem auch der Sprung des Sollwertsignals xs ausgeht.
Der zweite Signalabschnitt s2 weist einen zum Signalwert xs1 asymptotischen Signalverlauf auf. Exemplarisch weist der zweite Signalabschnitt den Signalverlauf von beschränktem Wachstum auf. Zweckmäßigerweise besteht der zweite Signalabschnitt s2 ausschließlich aus dem asymptotischen Signalverlauf.
Exemplarisch schließt sich der zweite Signalabschnitt s2 direkt an den ersten Signalabschnitt s1 an. Der Übergang U von dem ersten Signalabschnitt s1 zu dem zweiten Signalabschnitt s2 ist zweckmäßigerweise stetig. Vorzugsweise ist der Übergang U von dem ersten Signalabschnitt s1 zu dem zweiten Signalabschnitt s2 ferner in der ersten Ableitung stetig. Das Trajektoriensignal xd hat folglich bei dem Übergang U von dem ersten Signalabschnitt s1 zu dem zweiten Signalabschnitt s2 keinen Knick; die Steigung des Abschnittsanfangs des zweiten Signalabschnitts s2 ist zweckmäßigerweise gleich der Steigung des ersten Signalabschnitts s1. Exemplarisch verringert sich die Steigung des zweiten Signalabschnitts s2 ausgehend von diesem Abschnittsanfang.
Im Folgenden soll näher auf die Parametrisierung des Trajektoriensignals xd eingegangen werden.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist ausgebildet, den geraden Signalverlauf auf Basis eines Maximalgeschwindigkeitswerts vmax des Aktorglieds 1 bereitzustellen. Bei dem Maximalgeschwindigkeitswert vmax handelt es sich zweckmäßigerweise um einen im Voraus ermittelten Wert. Der Maximalgeschwindigkeitswert vmax ist insbesondere der Wert einer ermittelten maximalen Bewegungsgeschwindigkeit, mit der sich das Aktorglied 1 von einer ersten Position, beispielsweise eine erste Endlage und/oder eine Stellung, in der die Ventileinheit geschlossen ist, in eine zweite Position, beispielsweise eine zweite Endlage und/oder eine Stellung, in der die Ventileinheit geöffnet ist, bewegt werden kann. Die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist insbesondere ausgebildet, den geraden Signalverlauf mit einer Steigung gleich dem Maximalgeschwindigkeitswert vmax des Aktorglieds 1 bereitzustellen. Der erste Signalabschnitt s1 beginnt exemplarisch mit dem gleichen Wert wie der Wert des Sollwertsignals xs, von dem aus der Sprung im Sollwertsignal xs erfolgt. Exemplarisch beginnt der erste Signalabschnitt s1 mit dem Signalwert xs0 und steigt dann mit konstanter Steigung bis zum Übergang U.
Wie nachstehend noch näher erläutert, verfügt die Trajektorien-Planungseinheit 3 zweckmäßigerweise über einen ersten Maximalgeschwindigkeitswert vmax1 und einen zweiten Maximalgeschwindigkeitswert vmax2 und ist ausgebildet, abhängig davon, in welche Richtung sich das Sollwertsignal xs bewegt (also steigend oder fallend) den ersten Signalabschnitt s1 wahlweise mit einer Steigung gleich dem ersten Maximalgeschwindigkeitswert vmax1 oder mit einer Steigung gleich dem zweiten Maximalgeschwindigkeitswert vmax2 bereitzustellen. Vorzugsweise unterscheiden sich der erste Maximalgeschwindigkeitswert vmax1 und der zweite Maximalgeschwindigkeitswert vmax2 in ihrem Vorzeichen und/oder in ihrem Betrag.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, das Trajektoriensignal xd, insbesondere den ersten Signalabschnitt s1 und/oder den zweiten Signalabschnitt s2, auf Basis einer Zeitkonstante T bereitzustellen. Bei der Zeitkonstante T handelt es sich insbesondere um die Zeitkonstante die das Zeitverhalten eines Verzögerungsglieds, insbesondere eines Verzögerungsglieds erster Ordnung, beschreibt. Die Zeitkonstante T gibt zweckmäßigerweise das Verhältnis der Differenz zwischen dem Sollwertsignal xs und dem Trajektoriensignal xd zu der Steigung des Trajektoriensignals xd vor. Das Antriebssystem 10, insbesondere die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, die Zeitkonstante T auf Basis des Maximalgeschwindigkeitswerts vmax bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist das Antriebssystem 10, insbesondere die Trajektorien-Planungseinheit 3, ferner ausgebildet, die Zeitkonstante T auf Basis des Sollwertsignals xs bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist die Trajektorien-Planungseinheit 3 ausgebildet, für verschiedene Sollwerte oder Sollwertsprünge des Sollwertsignals xs verschiedene Zeitkonstanten T bereitzustellen. Wird durch das Sollwertsignal xs ein Sprung zu einem ersten Sollwert vorgegeben, so wird beispielsweise eine andere Zeitkonstante berechnet als wenn durch das Sollwertsignal xs ein Sprung zu einem zweiten, von dem ersten Sollwert verschiedenen, zweiten Sprung vorgegeben wird.
Exemplarisch ist die Trajektorien-Planungseinheit 3 ausgebildet, die Zeitkonstante auf Basis des Maximalgeschwindigkeitswerts vmax und auf Basis des Sollwertsignals xs und zweckmäßigerweise ferner auf Basis eines Signalparameters a zu bestimmen, und zwar exemplarisch wie folgt: $T = (1 - a) xs/vmax$
Für „xs“ ist hierbei insbesondere derjenige Wert des Sollwertsignals xs einzusetzen, auf den das Sollwertsignal xs springt - also z.B. xs1 im Beispiel der 4.
Über den Signalparameter a lässt sich definieren, bei welchem Signalwert des Trajektoriensignals xd der Übergang U von dem ersten Signalabschnitt sl zu dem zweiten Signalabschnitt s2 erfolgt. Exemplarisch liegt der Signalparameter a zwischen 0 und 1. Der Signalparameter a gibt exemplarisch vor, bei welchem Anteil der durchzuführenden Signalwertänderung des Trajektoriensignals xd der Übergang U liegt - also wie groß auf der Signalwert-Achse (also der vertikalen Achse) der Anteil des ersten Signalabschnitts s1 an der Summe aus erstem und zweiten Signalabschnitt s1, s2 ist. Exemplarisch durchläuft das Trajektoriensignal eine Signalwertänderung von 0 zu xs1. Über den Parameter a lässt sich nun einstellen, bei welchem Anteil der Differenz zwischen 0 und xsl der Übergang U von dem ersten Signalabschnitt s1 zu dem zweiten Signalabschnitt s2 erfolgen soll. Der Übergang U erfolgt dann, wenn das Trajektoriensignal xd = a xs1 ist. Vorzugsweise ist der Parameter a größer als 0,5, insbesondere größer als 0,7, vorzugsweise größer als 0,8 und/oder zweckmäßigerweise kleiner als 0,9. Zweckmäßigerweise ist der Parameter a wählbar, insbesondere durch einen Benutzer einstellbar.
Der Signalwert des Trajektoriensignals xd, bei dem der Übergang U erfolgt, soll auch als x* bezeichnet werden. Der zugehörige Zeitpunkt, bei dem der Übergang U erfolgt, soll auch als t* bezeichnet werden.
Folglich lässt sich über den Signalparameter a einstellen, bei welchem Signalwert x* und/oder zu welchem Zeitpunkt t* der erste Signalabschnitt s1 endet und/oder der zweite Signalabschnitt s2 beginnt. Vorzugsweise ist der Signalparameter a, der Signalwert x* und/oder der Zeitpunkt t* über eine Benutzerschnittstelle in die Trajektorien-Planunqseinheit 3 einsehbar. Die Traektorien-Planunseinheit 3 ist ausgebildet, das Trajektoriensignal xd auf Basis des Signalparameters a bereitzustellen.
Nachstehend soll darauf eingegangen werden, wie der Maximalgeschwindigkeitswert vmax ermittelt werden kann.
Zweckmäßigerweise ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, eine Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur durchzuführen, bei der das Aktorglied 1 in Bewegung versetzt wird, um den Maximalgeschwindigkeitswert vmax des Aktorglieds 1 zu ermitteln. Vorzugsweise ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, die Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur außerhalb eines Normalbetriebs des Antriebssystems 10, insbesondere vor einem Normalbetrieb, also beispielsweise während einer Initialisierungsphase, durchzuführen.
Eine exemplarische Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur soll im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 näher erläutert werden. Die 3 zeigt zwei Schaubilder: ein oberes Schaubild, bei dem das Ansteuersignal as über der Zeit t aufgetragen ist und ein unteres Schaubild, bei dem die Position x des Aktorglieds 1 über der Zeit t aufgetragen ist.
Das Antriebssystem 10 ist exemplarisch ausgebildet, während der Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur das Aktorglied 1 von einer ersten Position x1 in eine zweite Position x2 und zweckmäßigerweise von der zweiten Position x2 in die erste Position x1 zu bewegen. Bei der ersten Position x1 und/oder der zweiten Position x2 handelt es sich beispielsweise jeweils um eine Endlage des Aktorglieds 1. Das Antriebssystem 10 ist ausgebildet, auf Basis der Bewegung des Aktorglieds 1 den Maximalgeschwindigkeitswert vmax zu bestimmen, beispielsweise unter Verwendung der vorstehend erwähnten Sensoreinheit, insbesondere des Positionssensors. Exemplarisch ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, auf Basis der Bewegung des Aktorglieds 1 von der ersten Position x1 in die zweite Position x2 einen ersten Maximalgeschwindigkeitswert vmax1 zu bestimmen und auf Basis der Bewegung des Aktorglieds 1 von der zweiten Position x2 in die erste Position x1 einen zweiten Maximalgeschwindigkeitswert vmax2 zu bestimmen.
Das obere Schaubild der 3 zeigt eine exemplarische Ansteuerung des Aktors 16 während der Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur. Das Ansteuersignal as wird zunächst mit einem ersten Signalwert as1 bereitgestellt. Beim Zeitpunkt t11 wird der Signalwert des Ansteuersignals as von as1 auf as2 geändert. Exemplarisch erfolgt ein Sprung, insbesondere ein Sprung nach oben, von as1 nach as2. Das Ansteuersignal as wird dann bei as2 gehalten. Beim Zeitpunkt t21 wird der Signalwert des Ansteuersignals as von as2 auf as1 geändert. Exemplarisch erfolgt ein Sprung, insbesondere ein Sprung nach unten, von as2 auf as1. Exemplarisch handelt es sich bei dem Signalwert as2 um einen maximal bereitstellbaren Signalwert des Ansteuersignals as und/oder bei dem Signalwert as1 um einen minimal bereitstellbaren Signalwert des Ansteuersignals as.
Das untere Schaubild der 3 zeigt die durch die vorstehend erläuterte Ansteuerung des Aktors 16 bewirkte Bewegung des Aktorglieds 1. Das Aktorglied 1 befindet sich zunächst in der Position x1. Zum Zeitpunkt t11 beginnt das Aktorglied 1 eine Bewegung in Richtung der Position x2. Zum Zeitpunkt t12 erreicht das Aktorglied 1 die Position x2. Zum Zeitpunkt t21 beginnt das Aktorglied 1 eine Bewegung hin zu der ersten Position x1 und zum Zeitpunkt t22 erreicht das Aktorqlied 1 die erste Position x1. Die Steigung zwischen t11 und t12 entspricht exemplarisch dem ersten Maximalgeschwindigkeitswert vmax1 und die Steigung zwischen t21 und t22 entspricht zweckmäßigerweise dem zweiten Maximalgeschwindigkeitswert vmax2.
Gemäß der vorstehend erläuterten Ausgestaltung ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, zur Ermittlung des Maximalgeschwindigkeitswerts die Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Antriebssystem 10 auch ausgebildet sein, den Maximalgeschwindigkeitswert zweckmäßigerweise im Normalbetrieb zu ermitteln, zweckmäßigerweise zu schätzen, beispielsweise auf Basis von im Normalbetrieb ermittelten Positionswerten und/oder Geschwindigkeitswerten.
Zweckmäßigerweise ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, den Maximalgeschwindigkeitswert vmax wiederholt zu ermitteln. Auf diese Weise kann erfasst werden, wie oder ob sich der Maximalgeschwindigkeitswert vmax verändert. Zweckmäßigerweise ist das Antriebssystem 10 ausgebildet, auf Basis eines oder mehrerer Maximalgeschwindigkeitswerte eine Diagnose durchzuführen und insbesondere einen Verschleiß festzustellen. Die Diagnose erfolgt vorzugsweise auf einem entfernt angeordneten Server, insbesondere einem Cloud-Server.
Unter Bezugnahme auf die 2 soll nachstehend näher auf eine exemplarische Ausgestaltung der Trajektorien-Planungseinheit 3 eingegangen werden.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 verfügt über einen Planungseinheit-Eingang 6 zur Eingabe des Sollwertsignals xs und über einen Planungseinheit-Ausgang 7 zur Ausgabe des Trajektoriensignals xd.
Exemplarisch umfasst die Trajektorien-Planungseinheit 3 eine Verzögerungseinheit, die zwischen den Planungseinheit-Eingang 6 und den Planungseinheit-Ausgang 7 geschaltet ist. Es ergibt sich ein Signalpfad von dem Planungseinheit-Eingang 6 über die Verzögerungseinheit zu dem Planungseinheit-Ausgang 7. Durch die in der Verzögerungseinheit durchgeführte Signalverarbeitung wird aus dem zugeführten Sollwertsignal xs das Trajektoriensignal xd erzeugt. Das Trajektoriensignal xd, insbesondere sowohl der erste Signalabschnitt s1 wie auch der zweite Signalabschnitt s2, wird folglich unter Verwendung der Verzögerungseinheit bereitgestellt.
Die Verzögerungseinheit ist insbesondere ausgebildet, das Trajektoriensignal xd mit einer Steigung bereitzustellen, die von der Differenz zwischen dem Trajektoriensignal xd und dem Sollwertsignal xs abhängt. Insbesondere ist die Verzögerungseinheit ausgebildet, das Trajektoriensignal xd mit einer Steigung bereitzustellen, die proportional zu der Differenz zwischen dem Trajektoriensignal xd und dem Sollwertsignal xs ist. Vorzugsweise ist die Verzögerungseinheit ausgebildet, das Trajektoriensignal xd bei einer größeren Differenz zwischen dem Trajektoriensignal xd und dem Sollwertsignal xs mit einer größeren Steigung und bei einer kleineren Differenz mit einer kleineren Steigung bereitzustellen.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 umfasst zweckmäßigerweise ferner ein Begrenzungsglied 4 zur Begrenzung der Steigung des Trajektoriensignals xd. Das Begrenzungsglied 4 ist zweckmäßigerweise zwischen dem Planungseinheit-Eingang 6 und dem Planungseinheit-Ausgang 7 geschaltet. Dadurch, dass durch das Begrenzungsglied 4 die Steigung des Trajektoriensignals xd begrenzt, ergibt sich der erste Signalabschnitt S1 mit dem geraden Signalverlauf.
Exemplarisch umfasst die Verzögerungseinheit die Übertragungsglieder 8. Bei den Übertragungsgliedern 8 handelt es sich um die Übertragungsglieder eines Verzögerungsglieds erster Ordnung (auch als PT1-Glied bekannt).
Die Übertragungsglieder 8 umfassen exemplarisch ein Proportionalglied 9, ein Integrierglied 11 und ein Subtrahierglied 12. Die Übertragungsglieder 8 sind seriell zwischen den Planungseinheit-Eingang 6 und den Planungseinheit-Ausgang 7 geschaltet. Von dem Planungseinheit-Ausgang 7 verläuft ein Rückkopplungspfad 18 zu dem Subtrahierglied 12.
Das Begrenzungsglied 4 ist seriell zu den Übertragungsgliedern 8 geschaltet. Exemplarisch ist das Begrenzungsglied 4 vor das Integrierglied 11 und zweckmäßigerweise hinter das Proportionalglied 9 geschaltet.
Das Sollwertsignal xs wird über den Planungseinheit-Eingang 6 der Subtrahiereinheit 12 zugeführt, die die Differenz zwischen dem Sollwertsignal xs und dem Trajektoriensignal xd bildet. Die Differenz wird dem Proportionalglied 9 zugeführt, das die Differenz durch Multiplikation mit dem Faktor 1/T skaliert. Die skalierte Differenz wird dem Eingang des Begrenzungsglieds 4 zugeführt.
Das Begrenzungsglied 4 verfügt über wenigstens einen Schwellenwert und ist ausgebildet, an seinem Ausgang den an dem Eingang anliegenden Signalwert auszugeben, wenn der am Eingang anliegende Signalwert (insbesondere betragsmäßig) kleiner als der Schwellenwert ist, und den Schwellenwert auszugeben, wenn der am Eingang anliegende Signalwert (insbesondere betragsmäßig) größer gleich dem Schwellenwert ist. Zweckmäßigerweise verfügt das Begrenzungsglied 4 über einen oberen und einen unteren Schwellenwert und ist ausgebildet, an seinem Ausgang den oberen Schwellenwert auszugeben, wenn der am Eingang anliegende Signalwert größer gleich dem Schwellenwert ist, den an dem Eingang anliegenden Signalwert auszugeben, wenn der am Eingang anliegende Signalwert kleiner als der obere Schwellenwert und größer als der untere Schwellenwert ist, und den unteren Schwellenwert auszugeben, wenn der am Eingang anliegende Signalwert kleiner gleich dem unteren Schwellenwert ist.
Das Ausgangssignal des Begrenzungsglieds 4 wird dem Integrierglied 11 zugeführt, das eine Integration dieses Ausgangssignals durchführt und das Ergebnis der Integration als das Trajektoriensignal xd ausgibt.
Gemäß einer (in den Figuren nicht gezeigten) Ausgestaltung verfügt die Trajektorien-Planungseinheit 3 zweckmäßigerweise ferner über ein Totzeitglied. Zweckmäßigerweise wird über das Totzeitglied eine Totzeit, die bei dem Antriebssystem 10 in einer Anfahrphase auftritt, in der Trajektorienplanung berücksichtigt.
Nachstehend sollen weitere exemplarische Details erläutert werden.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 dient insbesondere zur Bereitstellung einer Sollwertvorgabe eines Positionsregelkreises eines fluidischen Antriebssystems. Die Trajektorien-Planungseinheit 3 entspricht zweckmäßigerweise einem PT1-Glied, dem das Begrenzungsglied 4 hinzugefügt wurde. Die Parametrierung der Trajektorien-Planungseinheit 3 berücksichtigt die Dynamik des zu regelnden Systems. Die benötigten Dynamikkennwerte sind die Maximalgeschwindigkeitswerte (können auch als maximale Verfahrgeschwindigkeiten bezeichnet werden), die einfach in einer Initialisierungsphase ermittelt werden können bzw. auch online, also während des Betriebes, mitgeschätzt und dadurch adaptiv angepasst werden können. Zweckmäßigerweise passt die Trajektorien-Planungseinheit 3 die Maximalgeschwindigkeitswerte im Betrieb an - es findet insbesondere eine adaptive Trajektorienplanung statt.
Darüber hinaus können auch Totzeiten, die bei fluidischen Systemen typischerweise in der Anfahrphase auftreten, in der Trajektorienplanung einfach berücksichtigt werden.
Durch die Trajektorienplanung wird das Antriebssystem am Anfang - also während dem ersten Signalabschnitt s1 - garantiert in der Stellgrößenbegrenzung betrieben. Hierdurch können Haftreibungseffekte maximal kompensiert werde. Ferner ergibt sich eine zeitoptimale Trajektorie (das Antriebssystem wird mit maximaler Geschwindigkeit betrieben). Zur Vermeidung von Überschwingen des Antriebssystems wird der zweite Signalabschnitt s2 definiert - eine „Softlanding“ Phase, die das System ohne Überschwingen an den Sollwert heranführt. Insbesondere durch eine geeignete Wahl des Signalparameters a kann gewährleistet werden, dass kein Überschwingen auftritt.
Die Solltrajektorie wird bis zu einer vorgebbaren Position x* mit maximaler Geschwindigkeit vmax angefahren (während des ersten Signalabschnitts s1) und geht dann automatisch in einen Übergangsbereich über (ab t>t*). In diesem Übergangsbereich (während des zweiten Signalabschnitts s2, auch als „Softlanding“ bezeichnet), verhält sich die Trajektorien-Planungseinheit wie ein übliches PT1-Glied. Der Übergang (bei t=t*) vom ersten Signalabschnitt s1 - dem Sättigungsbereich - in den zweiten Signalabschnitt s2 - dem sog. Softlanding-Bereich - ist (mathematisch) glatt.
Somit kann die insbesondere als modifizierte PT1-Glied ausgeführte Trajektorien-Planungseinheit 3 entsprechend parametriert werden und liefert eine sehr einfache, an das Systemverhalten angepasste, zeitoptimale Trajektorienplanung und vermeidet darüber hinaus ein Überschwingen.
Die Bewegung des Aktorglieds 1 bei einer Auf-/ und Zufahrt ist zweckmäßigerweise linear; d.h. sie weist eine konstante Geschwindigkeit auf.
Durch Kenntnis der maximalen Verfahrgeschwindigkeit für das Öffnen und Schließen - also des Maximalgeschwindigkeitswerts vmax - kann das Trajektoriensignal so bestimmt werden, dass es zum einen die maximale Verfahrgeschwindigkeit berücksichtigt und zum anderen ein Überschwingen vermeidet.
Die Trajektorien-Planungseinheit 3 ist zweckmäßigerweise als Verzögerungsglied erster Ordnung (PT1-Glied) ausgeführt, bei dem das Signal am Eingang des Integrators (also die Geschwindigkeit bzw. die Steigung) begrenzt wird. Mit einer solchen Trajektorien-Planungseinheit 3 kann das Trajektoriensignal xd so erzeugt werden, dass es bis zu einer bestimmten, vorgebbaren Position in der Geschwindigkeitsbegrenzung ist, wodurch sich der erste Signalabschnitt ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016/198109 A1 [0004]

Claims

Antriebssystem (10), insbesondere für die Prozessautomatisierung, umfassend: eine Trajektorien-Planungseinheit (3), die ausgebildet ist, auf Basis eines Sollwertsignals (xs) ein Trajektoriensignal (xd) bereitzustellen, und eine ein Aktorglied (1), insbesondere ein Ventilglied, umfassende Stelleinheit (2), die ausgebildet ist, auf Basis des Trajektoriensignals (xd) eine Position des Aktorglieds (1) zu steuern und/oder zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, das Trajektoriensignal (xd) mit einem ersten Signalabschnitt (s1) und einem zweiten Signalabschnitt (s2) bereitzustellen, wobei der erste Signalabschnitt (sl) einen geraden Signalverlauf aufweist und der zweite Signalabschnitt (s2) einen zu dem Sollwertsignal (xs) asymptotischen Signalverlauf aufweist.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Antriebssystem (10) ein fluidisches Antriebssystem ist und die Stelleinheit (2) eine fluidische Stelleinheit ist.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, den geraden Signalverlauf auf Basis eines Maximalgeschwindigkeitswerts des Aktorglieds (1) bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, den geraden Signalverlauf mit einer Steigung auf Basis des Maximalgeschwindigkeitswerts des Aktorglieds (1) bereitzustellen, insbesondere mit einer Steigung gleich dem Maximalgeschwindigkeitswert.
Antriebssystem (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei das Antriebsystem (10) ausgebildet ist, auf Basis eines/des Maximalgeschwindigkeitswerts eine Zeitkonstante (T) bereitzustellen und das Trajektoriensignal (xd), insbesondere den ersten Signalabschnitt und/oder den zweiten Signalabschnitt (s2), auf Basis der Zeitkonstante (T) bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Antriebssystem (10) ausgebildet ist, die Zeitkonstante (T) ferner auf Basis des Sollwertsignals (xs) bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Antriebssystem (10) ausgebildet ist, eine Maximalgeschwindigkeits-Ermittlungsprozedur durchzuführen, bei der das Aktorglied (1) in Bewegung versetzt wird, um den Maximalgeschwindigkeitswert zu ermitteln.
Antriebssystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, das Trajektoriensignal (xd) auf Basis eines Signalparameters bereitzustellen, über den einstellbar ist, bei welchem Signalwert (x*) und/oder zu welchem Zeitpunkt (t*) der erste Signalabschnitt (s1) endet und/oder der zweite Signalabschnitt (s2) beginnt.
Antriebssystem (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, den zweiten Signalabschnitt (s2) direkt nach dem ersten Signalabschnitt (s1) bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ausgebildet ist, das Trajektoriensignal (xd) mit einem in der ersten Ableitung stetigen Übergang von dem ersten Signalabschnitt (sl) zu dem zweiten Signalabschnitt (s2) bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) ein Begrenzungsglied (4) zur Begrenzung der Steigung des Trajektoriensignals (xd) umfasst.
Antriebssystem (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) eine Verzögerungseinheit umfasst und ausgebildet ist, das Trajektoriensignal (xd) unter Verwendung der Verzögerungseinheit bereitzustellen.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 12, wobei die Verzögerungseinheit die Übertragungsglieder (8) eines Verzögerungsglieds erster Ordnung umfasst.
Antriebssystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche 12 und 13, wobei die Verzögerungseinheit ein Proportionalglied (9) und/oder ein Integrierglied (11) und/oder ein Subtrahierglied (12) umfasst.
Antriebssystem (10) nach Anspruch 11 in Kombination mit Anspruch 14, wobei das Begrenzungsglied (4) vor das Integrierglied (11) geschaltet ist.
Trajektorien-Planungseinheit (3) zur Bereitstellung eines Trajektoriensignals (xd) zur Steuerung und/oder Regelung einer Position eines Aktorglieds (1), wobei die Trajektorien-Planungseinheit (3) umfasst: einen Planungseinheit-Eingang (6) zur Eingabe eines Sollwertsignals (xs), einen Planungseinheit-Ausgang (7) zur Ausgabe des Trajektoriensignals (xd), eine zwischen den Planungseinheit-Eingang (6) und den Planungseinheit-Ausgang (8) geschaltete Verzögerungseinheit mit einem Integrierglied (11), gekennzeichnet durch eine vor das Integrierglied (11) geschaltete Begrenzungseinheit (4).
Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Position eines Aktorglieds (1) eines Antriebssystems (10), umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Sollwertsignals (xs) für die Position des Aktorglieds (1), Bereitstellen eines Trajektoriensignals (xd) auf Basis des Sollwertsignals (xs), wobei das Trajektoriensignal (xd) einen ersten Signalabschnitt (s1) mit einem geraden Signalverlauf aufweist und einen zweite Signalabschnitt (s2) mit einem zu dem Sollwert (xs) asymptotischen Signalverlauf aufweist, Steuern und/oder Regeln der Position des Aktorglieds (1) gemäß dem Trajektoriensignal (xd).