DE3522818C2 - Regeleinrichtung zur Positionssteuerung eines an einem landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeug über ein Hubwerk angelenkten Arbeitsgeräts - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Regeleinrichtung zur Positionssteuerung eines an einem landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeugs über ein Hubwerk angelenkten Arbeitsgeräts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist schon eine solche Einrichtung bekannt (Ismail, Singh, Gee-Clough: A Preliminary Investigation of a Combined Slip and Draught Control for Tractors; I. agric. Engng. Res. (1981) 26, 293 bis 306), bei der an einem Schlepper mit angelenktem Pflug ein Zugkraftregelsystem mit einem Schlupfregelsystem kombiniert ist. Zur Schlupfermittlung wird u.a. vorgeschlagen, die Antriebsgeschwindigkeit über einen Drehzahl-Sensor am angetriebenen Hinterrad bzw. im Getriebe zu erfassen und die absolute Geschwindigkeit, also die Fahrgeschwindigkeit relativ zum Boden, über einen Drehzahl-Sensor an einem nicht angetriebenen Vorderrad zu ermitteln. Diese Schlupfermittlung hat den Nachteil, daß sie sich nur für Schlepper eignet, bei denen nicht alle Räder angetrieben sind. Bei Schleppern mit Allradantrieb ist diese Art der Schlupfermittlung nicht zweckmäßig, da ein zusätzliches, fünftes Rad zur Ermittlung der absoluten Geschwindigkeit zu aufwendig und teuer ist. In der erwähnten Druckschrift wurde ferner vorgeschlagen, die Fahrgeschwindigkeit des Arbeitsfahrzeuges relativ zum Boden über einen Radarsensor zu ermitteln und daraus den Schlupf abzuleiten. Solche Radarsensoren haben aber den Nachteil, daß sie relativ teuer sind und zudem bestimmte Einbaulagen erfordern.

Ferner ist aus der US-PS 44 23 785 eine Regeleinrichtung zur Positionssteuerung eines an einer Planierraupe über ein Hubwerk angelenkten Arbeitsgeräts bekannt, wobei die Einrichtung mit einer Schlupfregelung mit zusätzlicher stabilisierender Lagerückführung arbeitet. Die Regeleinrichtung weist neben einem Absolut-Geschwindigkeits-Sensor in Form eines teueren Radarsensors einen Beschleunigungs-Sensor auf, aus dessen Signalen jedoch über einen zusätzlichen Kennlinien-Speicher ein Geschwindigkeitssignal hergeleitet wird, das seinerseits als Sollwert dient und zusammen mit dem Istwert vom Radarsensor erst die Schlupfermittlung ermöglicht. Hier werden also zwei Absolutwert-Sensoren sowie ein Kennlinienspeicher verwendet, was den Aufwand der Regeleinrichtung erhöht. Auch fehlt ein eigener unterlagerter Regelkreis für die Verarbeitung des Lagesignals.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur Positionssteuerung eines an einem landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeug über ein Hubwerk angelenkten Arbeitsgeräts mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sie eine Schlupfregelung ohne teuere Geschwindigkeitssensoren ermöglicht. Sie eignet sich daher besonders zur Anwendung bei Schleppern mit Allradantrieb. Durch Verwendung eines relativ einfachen und billigen Beschleunigungssensors am Schlepper können somit große Schlupfwerte, die den Boden zerstören, ver­ mieden werden, die Schlagkraft des Schleppers durch kleinere Schlupfschwankungen vergrößert und das Festfahren des Schlep­ pers vermieden werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Regeleinrichtung möglich. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Anpaßvorrichtung gemäß Anspruch 2 als Differenzierglied ausgebildet ist , so daß Fehler infolge von Integrationsvorgängen über der Zeit konstant bleiben und sich relativ leicht korrigieren lassen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungs­ gemäßen Regeleinrichtung zur Positionssteuerung in vereinfach­ ter Darstellung und mit einer differenzierenden Anpaßvorrich­ tung und

Fig. 2 einen Teil einer zweiten Regeleinrichtung mit einer integrierenden Anpaßvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung als Blockschalt­ bild eine Regeleinrichtung 10 zur Positionssteuerung eines an einem landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeug über ein Hubwerk an­ gelenkten Arbeitsgeräts. Die Regeleinrichtung 10 weist einen äußeren, ersten Regelkreis 11 für die Regelgröße Schlupf S aus. Der erste Regelkreis 11 ist einem zweiten, inneren Regelkreis 12 überlagert, in dem die Regelgröße der Zugkraft Z verarbei­ tet wird.

Im inneren, zweiten Regelkreis 12 ist als Arbeitsfahrzeug ein Schlepper 13 mit seinem Hubwerk vereinfacht dargestellt, an dessen üblichem Dreipunktgestänge als Arbeitsgerät ein Pflug 14 angelenkt ist. Der Pflug 14 ist über eine elektrohydrau­ lische Vorrichtung in seiner Höhenlage relativ zum Boden ver­ stellbar. Beim Pflügen ändert sich der Arbeitswiderstand vor allem in Abhängigkeit der Arbeitstiefe des Pfluges im Erd­ reich, und somit auch die vom Pflug über die Lenker des Drei­ punktgestänges auf den Schlepper ausgeübten Kräfte. Diese Kräfte werden gemessen und als Zugkraft-Istwert 15 auf einen Summenpunkt 16 zurückgeführt, an dem zugleich ein Zugkraft- Sollwert 17 mit entgegengesetzter Polarität anliegt. Diesem an sich bekannten Regelkreis für die Zugkraft 12 ist der erste Regelkreis 11 für den Schlupf S überlagert.

Zur Ermittlung des Schlupfes sind auf dem Schlepper 13 ein Drehzahlsensor 18 sowie ein Beschleunigungssensor 19 angeord­ net. Der Drehzahlsensor 18 dient zur Ermittlung einer gegen­ über der Fahrgeschwindigkeit des Schleppers 13 höheren An­ triebsgeschwindigkeit, wozu er mit dem angetriebenen Hinter­ rad des Schleppers 13 oder mit dem Getriebe in Wirkverbin­ dung steht. Er erhält an seinem Eingang ein Drehzahlsignal und liefert an seinem Ausgang ein Geschwindigkeitssignal, das proportional zur Antriebsgeschwindigkeit des Schleppers 13 ist. Dem Drehzahlsensor 18 ist eine Anpaßvorrichtung 21 nachgeschaltet, die hier als Differenzierglied 22 ausgebil­ det ist. Dieses Differenzierglied 22 bildet aus dem eingege­ benen Geschwindigkeitssignal an seinem Ausgang ein Signal, das der Antriebsbeschleunigung entspricht. Dieses Signal für die Antriebsbeschleunigung wird durch ein Bandpaßfilter 23 geführt und einem ersten Eingang 24 einer Vergleicherschal­ tung 25 zugeführt.

Bei dem Beschleunigungssensor 19 handelt es sich um ein starr mit dem Schlepper 19 verbundes Gerät, das unabhängig von den Drehzahlen angetriebener und nicht angetriebener Räder im Schlepper 13 arbeitet. Solche Beschleunigungssensoren 19 sind relativ preiswert auf dem Markt erhältlich und können z.B. nach dem Trägheitsprinzip arbeiten. Der Beschleunigungssensor 19 gibt an seinem Ausgang ein elektrisches Signal ab, dessen Größe entsprechend zur absoluten Fahrgeschwindigkeit des Schleppers 13 relativ zum Boden der absoluten Beschleunigung entspricht. Dieses absolute Beschleunigungssignal wird über ein zweites Bandpaßfilter 26 einem zweiten Eingang 27 der Vergleicherschaltung 25 zugeführt.

Die Vergleicherschaltung 28 ermittelt aus den eingegebenen Be­ schleunigungssignalen eine Differenzbeschleunigung und gibt dieses Signal an ein nachgeschaltetes Integriergerät 28 wei­ ter, das aus diesem Signal ein Istwertsignal für den Schlupf S errechnet. Über ein Setzsignal 29 kann das Integrierglied 28 auf Null gestellt werden.

Der Istwert des Schlupfes wird vom Ausgang des Integrierglie­ des 28 auf einen zweiten Summenpunkt 31 zurückgeführt, an dem zusätzlich ein Sollwert 32 des Schlupfes S anliegt. Das Signal für die Regelabweichung des Schlupfes am Summenpunkt 31 wird über eine Anpaßvorrichtung für die Verstärkung des Schlupfein­ flusses 33 auf den ersten Summenpunkt 16 weitergeführt, wo es mit dem Istwert 15 der Zugkraft Z addiert wird. Der erste Re­ gelkreis 11 für den Schlupf ist somit dem Zugkraft-Regelkreis 12 überlagert.

Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung 10 wird wie folgt er­ läutert, wobei die Funktion des inneren Zugkraft-Regelkreises 12 als an sich bekannt vorausgesetzt wird.

Für die Schlupfregelung wird zwar in an sich bekannter Weise die Antriebsgeschwindigkeit mit dem Drehzahlsensor 18 ermit­ telt, der die Drehzahl im Getriebe des Schleppers 19 oder am angetriebenen Hinterrad abgreift und daraus ein geschwindig­ keitsproportionales Ausgangssignal bildet. Aus diesem geschwin­ digkeitsproportionalen Signal wird nunmehr durch Differenzieren in der Anpaßvorrichtung 21 die Antriebsbeschleunigung ermittelt, welche in der Vergleicherschaltung 24 verarbeitet wird. Zusätz­ lich wird der Vergleicherschaltung 24 an ihrem zweiten Eingang 27 die gemessene Beschleunigung vom Beschleunigungssensor 19 eingegeben. Der Beschleunigungssensor 19 ermittelt dabei seine Werte unabhängig von irgendwelchen geschwindigkeitsabhängigen Drehzahlen im Schlepper 13. Aus dem dem Integrierglied 28 ein­ gegebenen Beschleunigungsunterschied kann nun durch Integrie­ ren über der Zeit ein Ausgangssignal gewonnen werden, das dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Antriebs- und der absoluten Fahrgeschwindigkeit entspricht und damit auch dem Schlupf S.

Dieses Istwertsignal des Schlupfes wird am zweiten Summenpunkt 31 mit einem eingegebenen Sollwert 32 für den Schlupf ver­ glichen und die daraus resultierende Regelabweichung des Schlupfes über die Anpaßvorrichtung für die Verstärkung 33 dem ersten Summenpunkt 16 zugeführt, wo er zum Istwert 15 der Zugkraft im Zugkraftregelkreis 12 addiert wird. Der Ein­ fluß der Schlupfaufschaltung auf den Zugkraft-Regelkreis 12 läßt sich dabei mit der Anpaßvorrichtung für die Verstärkung 33 einstellen. Durch diese Schlupfaufschaltung läßt sich er­ reichen, daß große Schlupfwerte vermieden werden, welche den Boden zerstören könnten. Zudem läßt sich die Schlagkraft des Schleppers durch kleinere Schlupfschwankungen vergrößern und ferner ein Festfahren des Schleppers vermeiden.

Beiden Eingängen der Vergleicherschaltung 25 sind Bandpaßfil­ ter 23, 26 vorgeschaltet, mit denen die beiden Signale für die Beschleunigung dynamisch aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß bei normalen Fahrge­ schwindigkeitsänderungen das Ausgangssignal der Vergleicher­ schaltung 25 Null bleibt; außerdem werden kleine statische Signalabweichungen, wie sie z.B. bei Berg- oder Talfahrt auf­ treten sowie stationäre Nullpunktfehler nicht aufintegriert. Mit Hilfe des Setzsignals 29 am Integrierglied muß bei Be­ ginn des Pflügens am Furchenanfang der Ausgang des Integra­ tors jeweils wieder auf Null gesetzt werden. Dieser Vorgang kann ohne weiteres mit dem Betätigen des Absenkvorgangs des Pfluges 14 gekoppelt werden.

Die Regeleinrichtung 10 benötigt somit in vorteilhafter Weise keinen teueren Geschwindigkeitssensor zum Ermitteln der abso­ luten Fahrgeschwindigkeit, sondern kommt mit einem billigen Beschleunigungssensor aus. Die Verarbeitung der unterschied­ lichen Signale von Beschleunigungssensor 19 und Drehzahlsen­ sor 18 läßt sich mit elektronischen Mitteln ohne wesentlichen Zusatzaufwand durchführen. Wird die Integration im Integrier­ glied 28 fehlerhaft durchgeführt, so wird zwar ein fehlerbe­ hafteter Schlupfwert ermittelt, wobei der Fehler jedoch kon­ stant bleibt und nicht mit der Zeit wächst. Einen solchen konstanten Fehler kann der Schlepperfahrer durch entsprechende Einstellung des Zugkraft-Sollwertes 17 leicht kompensieren.

Die Fig. 2 zeigt einen Teil einer zweiten Regeleinrichtung 40, die sich von derjenigen nach Fig. 1 wie folgt unter­ scheidet, wobei gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszei­ chen versehen sind.

Die zweite Regeleinrichtung 40 unterscheidet sich von der er­ sten (10) vor allem dadurch, daß die Anpaßvorrichtung 21 in unterschiedlicher Weise ausgebildet und geschaltet ist. Zudem entfällt bei ihr das der Vergleicherschaltung 25 nachgeschal­ tete Integrierglied 28.

Bei der zweiten Regeleinrichtung 40 ist die Anpaßvorrichtung 21 selbst als Integriereinrichtung 41 ausgebildet und zwischen den Beschleunigungssensor 19 und das zweite Bandpaßfilter 26 geschaltet.

Die Wirkungsweise der zweiten Regeleinrichtung 40 unterschei­ det sich von derjenigen der ersten Regeleinrichtung 10 vor allem dadurch, daß in der Vergleicherschaltung 25 zwei ge­ schwindigkeitsabhängige Signale verarbeitet werden und dar­ aus unmittelbar einen Istwert für den Schlupf bilden. Zu die­ sem Zweck wird das geschwindigkeitsabhängige Signal entspre­ chend der Antriebsgeschwindigkeit des Schleppers 13 unmittel­ bar vom Drehzahlsensor 18 zum ersten Eingang 24 der Verglei­ cherschaltung 25 geführt. Ferner wird die Erkenntnis ausge­ nutzt, daß das vom Beschleunigungssensor 19 abgegebene Si­ gnal für die gemessene absolute Beschleunigung in der Anpaß­ vorrichtung 21 direkt zur Geschwindigkeit aufintegriert werden kann und somit als vergleichbares Signal in der Vergleicher­ schaltung 25 zur Verfügung steht. Wenn bei der zweiten Regel­ einrichtung 40 die Integriereinrichtung 41 bei der Integra­ tion fehlerbehaftet arbeitet, kann die Abweichung bei der Schlupfermittlung mit der Zeit zunehmen und somit nach einiger Zeit ein relativ großer Schlupffehler auftreten. An die Genau­ igkeit der Integriereinrichtung 41 werden deshalb höhere Anforderungen gestellt im Vergleich zur Regeleinrichtung 10. Zudem gestaltet sich auch die Nullpunktzuordnung bei der zwei­ ten Regeleinrichtung 40 schwieriger.

Selbstverständlich sind bei den gezeigten Regeleinrichtungen Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuwei­ chen. Obwohl die gezeigte Kombination von Zugkraft- mit Schlupfregelung besonders vorteilhaft ist, können anstelle der Zugkraft auch andere Regelgrößen berücksichtigt werden. Auch ist die Art der Verknüpfung beider Regelkreise nicht auf die gezeigten Ausführungsformen begrenzt. Die elektri­ schen Teile der Regeleinrichtung können sowohl in Analog­ technik wie auch in Digitaltechnik realisiert werden. Auch ist es ohne weiteres möglich, die für die Schlupfermittlung notwendigen Funktionen von Integrieren, Differenzieren, Fil­ tern und Vergleichen mit Hilfe eines Mikroprozessors durch­ zuführen.

Claims (10)

1. Regeleinrichtung zur Positionssteuerung eines an einem landwirtschaftlichen Arbeitsfahrzeug (13) über ein Hubwerk angelenkten Arbeitsgeräts (14), insbesondere eines an einen Schlepper angelenkten Pfluges, mit einem ersten Regelkreis (11) zur Ermittlung des Schlupfes des Arbeitsfahrzeugs als erste Regelgröße, der einen Drehzahl-Sensor (18) aufweist, welcher die gegenüber der absoluten Fahrgeschwindigkeit größere Antriebsgeschwindigkeit des Arbeitsfahrzeugs erfaßt, der nach Vergleich mit einem Schlupf-Sollwert eine Schlupf- Regelabweichung bildet und der davon abhängig das Arbeitsgerät über das Hubwerk in seiner Höhenlage beeinflußt, und mit einem zweiten Regelkreis (12) zur Verarbeitung einer zweiten Regelgröße für die Höhenlage des Arbeitsgeräts, wobei die beiden Regelkreise (11, 12) miteinander verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Arbeitsfahrzeug ein dessen Beschleunigung relativ zum Boden messender Beschleunigungssensor (19) befestigt ist, daß einem der Sensoren (18, 19) eine Anpaßvorrichtung (21) nachgeschaltet ist, die aus ihrem eingehenden Signal eine dem Ausgangssignal des anderen Sensors angepaßte Signalart ermittelt, daß dieses angepaßte Signal und das Signal des anderen Sensors einer Vergleicherschaltung (25) zuführbar sind und daß aus der Vergleicherschaltung ausgehende Signal zur Ermittlung der Schlupf-Regelabweichung dient.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaßvorrichtung (21) dem Drehzahlsensor (18) nachgeschaltet und als Differenzierglied (22) ausgebildet ist, daß in der Vergleicherschaltung (25) zwei Beschleunigungssignale miteinander verglichen werden und daß das hieraus gebildete Differenzsignal einem Integrierglied (28) zur Bildung des Istwertes für den Schlupf-Regelkreis (11) zugeführt wird.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaßvorrichtung (21) dem Beschleunigungssensor (19) nachgeschaltet und als Integrierglied (41) ausgebildet ist, daß in der Vergleicherschaltung (25) zwei Geschwindigkeitssignale miteinander verglichen werden und daß das hieraus gebildete abgehende Differenzsignal zur Bildung des Istwertes für den Regelkreis (11) herangezogen wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (21, 23, 26, 25, 28, 33) zur Ermittlung und Verarbeitung der Signale für die erste und zweite Regelgröße als elektronische Systeme ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Eingang (24, 27) der Vergleicherschaltung (25) jeweils ein Bandpaßfilter (23, 26) vorgeschaltet ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschleunigungssensor ein von den geschwindigkeitsabhängigen Größen des Arbeitsfahrzeugs (13) unabhängig arbeitender Sensor (19), insbesondere ein Trägheitssensor, vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelkreis (11) für den Schlupf dem zweiten Regelkreis (12) für die Zugkraft überlagert ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung des ersten Regelkreises (11) über eine Anpaßvorrichtung (33) auf einen Summenpunkt (16) geführt wird, an dem Soll- oder Istwerte (17, 15) des zweiten Regelkreises (12) anliegen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Funktionen der Anpaßvorrichtung (21) und der Vergleicherschaltung (25) auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit einem Mikroprozessor realisiert sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauelemente in Analogtechnik ausgeführt sind.