DE4329484A1

DE4329484A1 - Positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE4329484A1
Application number: DE19934329484
Authority: DE
Inventors: Takashi Aihara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1994-03-03
Also published as: GB2270998A; GB9317794D0; GB2270998B

Description

Die Erfindung betrifft eine in Fahrgeräten, wie beispielswei se fahrbaren Robotern, sowie in verschiedenen Arten von Transportsystemen einsetzbare Positioniervorrichtung, die un ter Verwendung einer Servosteuerung einen Gegenstand aus ei ner Anfangslage in eine Bestimmungslage bewegt.

Bei einer Positioniervorrichtung mit einem Positions-Vorgabe abschnitt und einem Positions-Steuerabschnitt ist es im all gemeinen erforderlich, daß die an den Positions-Steuerab schnitt abzugebende Kraft- oder Drehmoment-Anweisung inner halb dessen maximal möglicher Leistungsfähigkeit liegt. Wird jedoch an den Positions-Steuerabschnitt eine Positionsanwei sung abgegeben, die eine größere als die von der Positions- Steuereinrichtung abgebbare Beschleunigung erfordert, kann die tatsächliche Position dem Vorgabewert nicht nachfolgen, wodurch sich große Positionierungsfehler ergeben und ein in stabiler Betriebszustand, beispielsweise Überschwingen oder Schwingen des Systems, verursacht werden können.

Das Auftreten eines instabilen Betriebszustands kann bei ei ner herkömmlichen Positioniervorrichtung, wie obenstehend er wähnt, gleichfalls von der Einstellung der Kennwerte des Po sitions-Vorgabeabschnitts oder des Positions-Steuerabschnitts abhängig sein. Tritt in der Praxis ein instabiler Betriebszu stand auf, erfordert dies folglich eine entsprechende Anpas sung oder Justierung der Kennwerte, um den instabilen Be triebszustand zu beenden.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Positio niervorrichtung.

Wie dort dargestellt, wird der Beschleunigungs-Einstellwert X′′* in einem Positions-Vorgabeabschnitt 1 mittels Integrie rern 12a und 12b aufeinanderfolgend integriert und daraus ein erster Positions-Vorgabewert x₁* erzeugt. Der erste Positi ons-Vorgabewert X₁* wird einem Positions-Steuerabschnitt 2 zugeführt, der ein gesteuertes Objekt 3 ansteuert. Innerhalb dieses Vorgangs wird der erste Positions-Vorgabewert X₁* im Positions-Steuerabschnitt 2 durch einen Filter 5a in einen zweiten Positionsvorgabewert X₂* umgewandelt. Ferner erfaßt ein Positionsdetektor 3A die Position des gesteuerten Objekts 3 und gibt den tatsächlichen Momentan-Positionswert X aus.

Am Ausgang eines Addierers 21 erscheint die Differenz zwi schen dem zweiten Positionsvorgabewert X₂* und dem Momentan- Positionswert X des gesteuerten Objekts 3. Eine Positions- Einstelleinrichtung bzw. ein Positionsregler 22 multipliziert diese Differenz mit einem Verstärkungsfaktor Kp und gibt das Ergebnis als Geschwindigkeits-Vorgabewert n* aus. Der Ge schwindigkeits-Vorgabewert n* wird einem Geschwindigkeits- Steuerabschnitt 23 zugeführt, der die gesteuerten Objekte mittels der Kraft F steuert. Erfordert der erste Positions- Vorgabewert X₁* eine größere als von dem Positions-Steuerab schnitt 2 abgebbare Beschleunigung, so kann der tatsächliche Momentan-Positionswert X dem Vorgabewert nicht folgen, woraus sich folglich ein instabiler Betrieb ergeben kann.

Zur Vermeidung des instabilen Betriebszustands eignen sich die nachstehenden Verfahren zur Begrenzung der Beschleuni gung: Begrenzung des Beschleunigungs-Einstellwerts X′′* im Po sitions-Vorgabeabschnitt 1; Vergrößern der Zeitkonstante des Filters 5a; und Verkleinern des Verstärkungsfaktors Kp des Positionsreglers 22.

Das am besten geeignete der vorstehend genannten Verfahren ist daß Begrenzen des Beschleunigungs-Einstellwerts X′′* im Positions-Vorgabeabschnitt 1. In einer vergleichsweise preis werten Vorrichtung kann jedoch ein Positions-Vorgabeab schnitt, mittels dem die Beschleunigung beliebig begrenzt werden kann, nicht vorhanden sein. In einem solchen Fall muß als zweitbeste Lösung die Zeitkonstante des Filters 5a ver größert werden. In einer Vorrichtung, die über keinen derar tigen Filter verfügt, muß letztendlich der Verstärkungsfaktor Kp des Positionsreglers 22 verkleinert werden.

Folglich kann in einer herkömmlichen Positioniervorrichtung ein instabiler Betriebszustand auftreten, sobald der Ein stellwert eines Kennwerts des Positions-Vorgabeabschnitts 1 oder des Positions-Steuerabschnitts 2 einen bestimmten Grenz wert, der in Abhängigkeit vom Zustand des gesteuerten Objekts schwankt, überschreitet. Um einen derartigen instabilen Be triebszustand zu vermeiden, ist ein zeitaufwendiges sowie oftmals in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen wiederholtes Nachjustieren bzw. Nachregeln der Kennwerte erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Positio niervorrichtung zu schaffen, mit der ein stabiler Betrieb er zielbar ist und somit ein langwieriges Nachregeln der Kenn werte entfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Positio niervorrichtung, gekennzeichnet durch eine Positions-Vorgabe einrichtung zum Ausgeben eines Positions-Vorgabewerts für ein gesteuertes Objekt, eine Positions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts des gesteuerten Objekts, eine Positions-Steuereinrichtung zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positionswert des gesteuerten Objekts mit dem Posi tions-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der Masse des gesteuerten Ob jekts, eine Beschleunigungs-Berechnungseinrichtung zum Be rechnen einer maximalen Beschleunigung des gesteuerten Ob jekts auf der Grundlage der durch die Schätzeinrichtung ge schätzten Masse sowie zum Berechnen einer maximalen Kraft, die durch die Steuereinrichtung bereitgestellt werden kann, und eine Beschleunigungs-Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der zweiten seitlichen Ableitung des Positions-Vorgabewerts auf die durch die Berechnungseinrichtung ermittelte maximale Beschleunigung.

Weiterhin wird die vorstehend genannte Aufgabe erfindungsge mäß gelöst durch eine Positioniervorrichtung, gekennzeichnet durch eine Positions-Vorgabeeinrichtung zum Ausgeben eines ersten Positions-Vorgabewerts für ein gesteuertes Objekt, ei ne Positions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der momenta nen Position des gesteuerten Objekts und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts des gesteuerten Objekts, eine Positi ons-Steuereinrichtung zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positions wert des gesteuerten Objekts mit dem Positions-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts, eine Beschleuni gungs-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer maximalen Beschleunigung des gesteuerten Objekts auf der Grundlage der durch die Schätzeinrichtung geschätzten Masse sowie zum Be rechnen einer maximalen Kraft, die durch die Steuereinrich tung bereitgestellt werden kann, eine Glättungseinrichtung zum zeitbezogenen Glätten des ersten Positions-Vorgabewerts sowie zum Ausgeben eines zweiten Positions-Vorgabewerts, und eine Beschleunigungs-Steuereinrichtung zum Begrenzen der zweiten zeitlichen Ableitung des zweiten Positions-Vorgabe werts auf die durch die Berechnungseinrichtung ermittelte ma ximale Beschleunigung.

Hierbei kann eine Konstante der Glättungseinrichtung durch die Beschleunigungs-Steuereinrichtung derart gesteuert wer den, daß der Glättungsgrad ausschließlich erhöht wird.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Konstante der Glättungs einrichtung nur dann auf ihren Anfangswert zurückgesetzt wird, wenn Eingangssignal und Ausgangssignal der Glättungs einrichtung übereinstimmen.

Die Glättungseinrichtung kann ferner als Tiefpaßfilter ausge bildet werden und die Konstante der Glättungseinrichtung durch die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters dargestellt sein.

Darüber hinaus wird die vorstehend genannte Aufgabe auf al ternative Weise gelöst durch eine Positioniervorrichtung, ge kennzeichnet durch eine Positions-Vorgabeeinrichtung zum Aus geben eines ersten Positions-Vorgabewerts für ein gesteuertes Objekt, eine Positions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts des gesteuerten Objekts, eine Positions-Steuereinrichtung zum Steuern einer auf das gesteu erte Objekt ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positi onswert des gesteuerten Objekts mit dem Positions-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, wobei die Positions-Steuer einrichtung eine Positions-Einstelleinrichtung beinhaltet, mittels der ein Geschwindigkeits-Vorgabewert durch Multipli kation der Differenz aus den Positions-Vorgabewert und dem Momentan-Positionswert mit einem Verstärkungsfaktor erhalten wird sowie eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung zum Steu ern des gesteuerten Objekts derart, daß dessen Momentan-Ge schwindigkeitswert mit dem Geschwindigkeits-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts, eine Maximalbe schleunigungs-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer ma ximalen Beschleunigung des gesteuerten Objekts auf der Grund lage der durch die Schätzeinrichtung geschätzten Masse sowie zum Berechnen einer maximalen Kraft, die durch die Steuerein richtung bereitgestellt werden kann, und eine Beschleuni gungs-Steuereinrichtung zum Begrenzen der zweiten zeitlichen Ableitung des durch die Positions-Einstelleinrichtung ausge gebenen Geschwindigkeits-Vorgabewerts auf die durch die Be rechnungseinrichtung ermittelte maximale Beschleunigung.

Hierbei kann vorgesehen sein, das die Beschleunigungs-Steuer einrichtung den Verstärkungsfaktor Kp der Positions-Einstell einrichtung derart steuert, daß der Verstärkungsfaktor aus schließlich verkleinert wird.

Ferner kann vorgesehen sein, daß der Verstärkungsfaktor der Positions-Einstelleinrichtung nur dann auf seinen Anfangswert zurückgesetzt wird, wenn der Positions-Vorgabewert und der Momentan-Positionswert übereinstimmen.

Weiterhin wird die vorstehend genannte Aufgabe erfindungsge mäß gelöst durch eine Positioniervorrichtung, gekennzeichnet durch eine Positions-Vorgabeeinrichtung zum Ausgeben eines ersten Positions-Vorgabewerts für ein gesteuertes Objekt, ei ne Positions-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der momenta nen Position des gesteuerten Objekts und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts des gesteuerten Objekts, eine Positi ons-Steuereinrichtung zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positions wert des gesteuerten Objekts mit dem Positions-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, wobei die Positions-Steuerein richtung eine Positions-Einstelleinrichtung beinhaltet, mit tels der ein Geschwindigkeits-Vorgabewert durch Multiplikati on der Differenz aus dem Positions-Vorgabewert und dem Momen tan-Positionswert mit einem Verstärkungsfaktor Kp erhalten wird, sowie eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung zum Steu ern des gesteuerten Objekts derart, daß dessen Momentan-Ge schwindigkeitswert mit dem Geschwindigkeits-Vorgabewert in Übereinstimmung gebracht wird, eine Schätzeinrichtung zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts, eine Maximalbe schleunigungs-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer ma ximalen Beschleunigung des gesteuerten Objekts auf der Grund lage der durch die Schätzeinrichtung geschätzten Masse sowie zum Berechnen einer maximalen Kraft, die durch die Steuerein richtung bereitgestellt werden kann, und eine Anzeigeeinrich tung zum Anzeigen der maximalen Beschleunigung oder einer Be schleunigungszeit und einer Verzögerungszeit, die auf der Grundlage der Masse und der durch die Positions-Steuerein richtung bereitstellbaren maximalen Kraft berechnet werden.

Gemäß den ersten drei vorstehend genannten Ausführungsbei spielen der Erfindung wird die durch die Positions-Steuerein richtung abgegebene Kraft auf einen Wert begrenzt, der inner halb des maximalen Leistungsvermögens der Positions-Steuer einrichtung liegt. Somit überschreitet die Differenz aus dem Positions-Vorgabewert und dem tatsächlichen Momentan-Positi onswert des gesteuerten Objekts einen bestimmten Wert nicht. Auf diese Weise wird Überschwingen oder ein Schwingen des Sy stems vermieden und eine stabile Betriebsweise ermöglicht. Weiterhin erlaubt dies, auf eine Nachjustierung von Kennwerten zu verzichten, wobei auch ein Nachregeln bzw. Nachstellen von Betriebsparametern entfällt, wenn sich die Betriebsbedingun gen ändern.

Mittels der Positioniervorrichtung gemäß dem vierten erfin dungsgemäßen Ausführungsbeispiel können Parameter-Einstell werte leicht aus der maximalen Beschleunigung oder vergleich baren Werten erhalten werden und auf der Anzeigeeinrichtung angezeigt werden. Auf diese Weise kann die Vorrichtung auf eine geeignete Betriebsbedingung eingestellt werden, indem lediglich ein einmaliger Testbetrieb durchgeführt wird, wo durch der Einstellvorgang auf erhebliche Weise vereinfacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Positioniervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Positioniervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein Schaubild der Verlaufskurven der ersten Ableitun gen X₁′* und X₂′* und der maximalen Beschleunigung α_max wäh rend starker Beschleunigung und Verzögerung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Fig. 2;

Fig. 4 ein Schaubild der Verlaufskurven der ersten Ableitun gen X₁′* und X₂′* und der maximalen Beschleunigung α_max wäh rend schwacher Beschleunigung und Verzögerung gemäß dem zwei ten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Positioniervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 6a und 6b Schaubilder der ersten Ableitungen X₁′* und X₂′* und der maximalen Beschleunigung α_max bei starker Be schleunigung der Verzögerung gemäß dem dritten Ausführungs beispiel nach Fig. 5;

Fig. 7 ein Schaubild der Verlaufskurven der ersten Ableitun gen X₁′* und X₂′* und der maximalen Beschleunigung α_max bei schwacher Beschleunigung und Verzögerung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Positioniervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Positionier vorrichtung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Positioniervorrichtung ist in Fig. 1 beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1A ein Positions-Vorgabeabschnitt bzw. eine Positions-Vorgabeeinrichtung bezeichnet, der zusätzlich zu Integrierern 12A und 12B einen noch zu beschreibenden Be schleunigungs-Begrenzungsabschnitt bzw. eine Beschleunigungs- Begrenzungseinrichtung 11 beinhaltet. Wie in Fig. 9 bezeich nen 2 und 3 jeweils den Positions-Steuerabschnitt bzw. die Positions-Steuereinrichtung und das gesteuerte Objekt. Mit 4 ist ein Massen-Schätzabschnitt bzw. eine Massen-Schätzein richtung zur Schätzung einer Masse bzw. eines Gewichts be zeichnet. Diese Massen-Schätzeinrichtung 4 leitet die Masse oder die Trägheitskraft des gesteuerten Objekts 3 aus dessen Betriebskenngrößen, wie beispielsweise der Kraft F und dem durch den Positionsdetektor 3A übermittelten Momentan-Positi onswert X, der Kraft F und dem Geschwindigkeits-Vorgabewert n*, der Kraft F und der tatsächlichen Geschwindigkeit n, der Kraft F und der Beschleunigung X′′ usw., ab. Einzelheiten zu einem Verfahren zum Schätzen der Masse oder der Trägheit wer den in "Instantaneous Speed Detection with Parameter Identi fication for ac Servo Systems", K. Fujita, et al, IEEE Tran sactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 4, July/August 1992 beschrieben. Mit 4A ist ein Maximalbeschleu nigungs-Berechnungsabschnitt bzw. eine Maximalbeschleuni gungs-Berechnungseinrichtung bezeichnet, mittels der die ma ximale Beschleunigung α_max (bzw. die maximale Winkelbeschleu nigung) auf der Basis der geschätzten Masse oder der Trägheit und die maximale Kraft F_max bzw. das maximale Moment, das durch die Positions-Steuereinrichtung 2 zur Verfügung ge stellt werden kann, berechnet wird und der die maximale Be schleunigung α_max an den Beschleunigungs-Begrenzer 11 in der Positions-Vorgabeeinrichtung 1A übergibt.

Der Beschleunigungs-Begrenzer 11 begrenzt den Beschleuni gungs-Vorgabewert X′′* derart, daß der Wert X′′* den durch die Massen-Schätzeinrichtung 4 übermittelten maximalen Beschleu nigungswert α_max nicht überschreitet. Die Positions-Vorgabe einrichtung 1A führt die Positions-Vorgabeberechnung auf der Basis des Ausgangssignals des Beschleunigungs-Begrenzers 11 durch.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die zweite zeitli che Ableitung X′′* des Positions-Vorgabewerts X* durch den Be schleunigungs-Begrenzer 11 auf den maximalen Beschleunigungs wert α_max begrenzt. Folglich überschreitet die durch die Po sitions-Steuereinrichtung 2 abgegebene Kraft F die maximal mögliche Ausgangskraft der Positions-Steuereinrichtung 2 nicht. Auf diese Weise wird ein übermäßiger Positionierungs fehler vermieden und folglich ein stabiler Betrieb gewährlei stet.

Da die Positioniervorrichtung gemäß dem vorstehend beschrie benen Ausführungsbeispiel lediglich diejenigen Beschleuni gungsvorgabewerte X′′* begrenzt, die die maximale Beschleuni gung α_max überschreiten würden, können die Beschleunigungs vorgabewerte X′′*, die kleiner sind als die maximale Beschleu nigung α_max′ auf die gleiche Weise wie bei der herkömmlichen Vorrichtung behandelt werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Positionier vorrichtung. Ein wesentlicher Unterschied zur herkömmlichen Vorrichtung gemäß Fig. 9 besteht darin, daß die Positions- Steuereinrichtung 2 gemäß Fig. 9 in einen Filter 5a und eine Positions-Steuereinrichtung 2A unterteilt ist, und daß ferner die Massen-Schätzeinrichtung 4 und ein Beschleunigungs-Steu erabschnitt bzw. eine Beschleunigungs-Steuereinrichtung 5b vorgesehen sind. Hierbei stellt der Filter 5a eine Glättungs einrichtung dar, während die Beschleunigungs-Steuereinrich tung 5b als Beschleunigungs-Begrenzungseinrichtung dient. Die Positions-Vorgabeeinrichtung 1 entspricht derjenigen aus Fig. 9. Die Beschleunigungs-Steuereinrichtung 5b empfängt die ma ximale Beschleunigung α_max aus der Maximalbeschleunigungs-Be rechnungseinrichtung 4A und dem zweiten Positions-Vorgabewert X₂* aus dem Filter 5a, und gibt an den Filter 5a ein Signal zur Einstellung der Zeitkonstante des Filters 5a ab.

Im Einzelnen steuert die Beschleunigungs-Steuereinrichtung 5b die Zeitkonstante des Filters 5a derart, daß die zweite zeit liche Ableitung des zweiten Positionsvorgabewerts X₂* die ma ximale Beschleunigung α_max nicht überschreitet, wenn die zweite zeitliche Ableitung größer als α_max ist.

Bei einem beispielsweise als diskretes Zeitbereichs-Primär filter ausgebildeten Filter 5a wird mit der Zeitkonstante wie nachstehend beschrieben verfahren.

Zu Beginn wird die Filtercharakteristik durch die folgende Gleichung (1) dargestellt.

X₂ _* (i) = X₂ _* (i-1) + {X₁ _* (i) - X₂ _* (i-1)}T_s/T_f (1)

wobei T_S ein Abtast-Intervall und T_f die Zeitkonstante des Filters 5a darstellen.

Wenn die folgende Bedingung (2) für die mit der zweiten zeit lichen Ableitung des zweiten Positionsvorgabewerts X₂* zuge ordnete linke Seite und die rechte Seite (d. h., die maximale Beschleunigung α_max) erfüllt ist, wird die Zeitkonstante T_f des Filters 5a unter Verwendung der Gleichung (3b) berechnet. X₂*(i) wird aus Gleichung (3a) bestimmt und, wenn der Aus druck (2) erfüllt ist, in Gleichung (3b) ersetzt bzw. substi tuiert.

{X₂ _* (i) - X₂ _* (i-1)} - {X₂ _* (i-1) - X₂ _* (i-2)} α_max (2)

X₂ _* (i) = 2X₂ _* (i-1) - X₂ _* (i-2) + α_max (3a)

Bevorzugterweise wird die Zeitkonstante T_f des Filters 5a nicht wieder verkleinert, nachdem sie durch den Einstellvor gang mittels der Beschleunigungs-Steuereinrichtung 5b vergrö ßert wurde, da es sehr wahrscheinlich ist, daß der Maximal wert α_max auch während des Verzögerungsvorgangs überschritten wird, nachdem er bereits während des Beschleunigungsvorgangs überschritten wurde. Da der Filter 5a ferner einer Lage bzw. Position zugeordnet ist, tritt eine seiner Zeitkonstante pro portionale Zeitverzögerung auf, wenn sich die Position än dert. Dementsprechend bedeutet dies, daß das Verkleinern der einmal vergrößerten Zeitkonstante T_f ein dazu proportionales Verkleinern der Zeitkonstante mit sich bringt. In einem sol chen Fall ist es bei einem mit der Verkleinerung der Zeitkon stante übereinstimmenden Verzögerungsbetrieb nicht möglich, dem Positionsvorgabewert zu folgen, so daß ein Überschwingen verursacht wird. Folglich wird bevorzugterweise die Zeitkon stante T_f ausschließlich vergrößert, um einen stabilen Be triebszustand aufrechtzuerhalten.

Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Beziehungen zwischen der Zeit und den ersten zeitlichen Ableitungen X₁′* und X₂′* der ersten und zweiten Positionsvorgabewerte X₁* und X₂* sowie der maximalen Beschleunigung α_max. Wie aus diesen Figuren er sichtlich ist, sind die Zeitkonstanten T1 und T2 (T1 < T2) des Filters, die für eine gleichbleibende Beschleunigung bei verschiedenen Geschwindigkeitsschätzwerten erforderlich sind, unterschiedlich.

Präziser ausgedrückt muß, um die tatsächliche Beschleunigung auf die Maximal-Beschleunigung α_max zu begrenzen, die Zeit konstante T_f des Filters in einem Bereich starker Beschleuni gung und Verzögerung gemäß Fig. 3 auf einem eher großen Wert T1 eingestellt werden, kann jedoch in einem Bereich kleiner Beschleunigung und Verzögerung gemäß Fig. 4 auf einen eher kleinen Wert T2 reduziert werden.

Wird im Falle der Fig. 4 die Zeitkonstante T_f auf den Wert T1 eingestellt, so wird der Betriebsablauf übermäßig verzögert. Eine optimale Zeitkonstante kann immer erreicht werden, wenn jeweils nach Beenden eines Arbeitszyklus die Zeitkonstante T_f des Filters 5a auf ihren Anfangswert zurückgesetzt wird, weil normalerweise das Ausgangssignal und das Eingangssignal des Filters 5a durch bzw. im Betrieb identische Werte annehmen.

Der Filter 5a kann als Filter zweiter oder dritter Ordnung mit einer S-förmigen Kennlinie ausgebildet sein, wodurch eine S-förmige, geglättete Verlaufskurve der Beschleunigung er reicht wird.

Verläuft die erste zeitliche Ableitung des ersten Positions vorgabewerts X₁* stufenförmig, so wird durch die durch die nachstehende Gleichung (4) definierte Filterberechnung ein linearer Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung des zweiten Positionsvorgabewerts X₂* herreicht, so daß in diesem Fall die Beschleunigung auf die maximale Beschleunigung α_max begrenzt werden kann.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Positionier vorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ebenfalls die Massen-Schätzeinrichtung 4 sowie die Maximalbeschleuni gungs-Berechnungseinrichtung 4A gemäß Fig. 1 und 2 vorgese hen. Darüber hinaus weist die Positioniervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Beschleunigungs-Steuer einrichtung 5 zur Begrenzung der Beschleunigung auf. Die Be schleunigungs-Steuereinrichtung 5 steuert bzw. regelt den Verstärkungsfaktor Kp des Positionsreglers 22 in der Positi ons-Steuereinrichtung 2A auf der Basis des durch den Positi onsregler 22 abgegebenen Geschwindigkeits-Vorgabewerts n* und der durch die Maximalbeschleunigungs-Berechnungseinrichtung 4A erzeugten Maximalbeschleunigung α_max.

Der Beschleunigungsregler 5 steuert den Verstärkungsfaktor Kp des Positionsreglers 22, wenn die erste zeitliche Ableitung des durch den Positionsregler 22 abgegebenen Geschwindig keitsvorgabewerts n* die Maximalbeschleunigung α_max über schreitet, so daß die erste zeitliche Ableitung unter die Maximalbeschleunigung α_max fällt.

Der Geschwindigkeits-Vorgabewert n* wird im diskreten Zeitsy stem gemäß der folgenden Gleichung (5) bestimmt.

n _* (i) = {X _* (i) - X(i)} Kp (5)

Die Werte n*(i) und Kp werden durch den Beschleunigungsregler 5 unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen (6) und (7) berechnet, wenn gilt: n*(i)-n*(i-1) < α_max

n _* (i) = n _* (i-1) + α_max (6)

Kp = n _* (i)/{X _* (i) - X(i)} (7)

Wurde der Verstärkungsfaktor Kp verkleinert, so wird bevor zugterweise der Verstärkungsfaktor aus denselben Gründen, wie bereits für das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, nicht wieder vergrößert. Da der Verstärkungsfaktor Kp des Positi onsreglers 22 eine der Zeitkonstante eines Filters ähnliche Funktion besitzt, wird der Momentan-Positionswert X während einer Bewegung in bezug auf den Positions-Vorgabewert X* ein wenig verzögert, wobei die Verzögerung zum Verstärkungsfaktor Kp umgekehrt proportional ist. Daraus folgt, daß die Zeitver zögerung im umgekehrten Verhältnis zum Verstärkungsfaktor Kp verringert wird, wenn dieser während der Bewegung wieder ver größert wird, nachdem er einmal verkleinert worden war. Dies erschwert der Verzögerung, dem Positions-Vorgabewert X* zu folgen und verursacht ein Überschwingen des Systems. Folglich kann ein stabiler Betrieb ausschließlich dadurch erreicht werden, daß der Verstärkungsfaktor Kp nicht vergrößert, son dern verkleinert wird.

Die Fig. 6A und 6B zeigen die Beziehungen zwischen der Zeit, der ersten zeitlichen Ableitung X′* des Positions-Vorgabe werts X*, dem Geschwindigkeits-Vorgabewert n* und der Maxi mal-Beschleunigung α_max im Bereich großer Beschleunigung und Verzögerung. In Fig. 7 sind diese Beziehungen für den Bereich kleiner Beschleunigung und Verzögerung dargestellt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, sind verschiedene Verstär kungsfaktoren Kp erforderlich, um für verschiedene Geschwin digkeiten dieselbe Beschleunigung zu erhalten.

Die Maximallinie des Geschwindigkeits-Vorgabewerts n* ist, wie in Fig. 6B gezeigt, umgekehrt proportional zu Kp (1/Kp), wenn sich die erste zeitliche Ableitung X′* stufenförmig än dert. Diese 1/Kp-Maximallinie darf die Verlaufskurve der Ma ximal-Beschleunigung α_max nicht überschreiten. Anders gesagt, muß der Verstärkungsfaktor Kp im Bereich großer Beschleuni gung und Verzögerung gemäß Fig. 6A und 6B auf einen eher kleinen Wert 1/T1 eingestellt werden, um die tatsächliche Be schleunigung auf die Maximal-Beschleunigung α_max zu begrenzen, kann jedoch im Bereich kleiner Beschleuni gung und Verzögerung gemäß Fig. 7 auf einen ziemlich großen Wert 1/T2 (T1 < T2) eingestellt werden.

Würde der Verstärkungsfaktor Kp im Fall der Fig. 7 auf 1/T1 eingestellt werden, würde der Betriebsablauf übermäßig verzö gert werden. Ein Optimalwert für den Verstärkungsfaktor kann immer erhalten werden, wenn der Verstärkungsfaktor Kp jeweils nach Ablauf eines Arbeitszyklus auf seinen Anfangswert zu rückgesetzt wird, da im Betrieb die tatsächliche Momentan-Po sition X und der Positions-Vorgabewert X* normalerweise iden tische Werte annehmen.

In Fig. 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Positio niervorrichtung dargestellt. Eine Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in Systemen verwendbar, bei denen au ßer dem Geschwindigkeits-Vorgabewert n* aufgrund der Unter teilung der Positions-Steuereinrichtung 2 in getrennte Ab schnitte, d. h. einen den Addierer 21 und eine den Positions regler 22 aufweisende Positions-Steuereinrichtung 2B sowie einen Geschwindigkeits-Steuerabschnitt bzw. eine Geschwindig keits-Steuereinrichtung 23, keine weitere Information verfüg bar ist. Im wesentlichen entspricht die Vorrichtung der der Fig. 9, verfügt jedoch weiterhin über die Massen-Schätzein richtung 4, die Maximalbeschleunigungs-Berechnungseinrichtung 4A sowie einen Beschleunigungs-Anzeigeabschnitt bzw. eine Be schleunigungs-Anzeigeeinrichtung 6.

Auf der Beschleunigungs-Anzeigeeinrichtung 6 wird die durch die Maximalbeschleunigungs-Berechnungseinrichtung 4A berech nete maximale Beschleunigung α_max (oder die maximale Winkel beschleunigung) dargestellt.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht erforderlich, daß die Beschleunigungs-Anweisung X′′* durch die Beschleuni gungs-Begrenzungseinrichtung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel begrenzt wird, daß die Zeitkon stante des Filters 5a wie beim in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eingestellt wird, oder daß der Verstär kungsfaktor Kp wie im dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 geregelt wird. Dementsprechend ist das Einstellen von Kenn werten, wie beispielsweise einem Beschleunigungskennwert der Positions-Vorgabeeinrichtung 1, unbedingt erforderlich.

Aus diesem Grund wird die maximale Beschleunigung α_max zur Anzeige gebracht, so daß der für jeden Parameter eingestellte Wert spezifiziert wird.

Im einzelnen wird demgemäß ein Testbetrieb durchgeführt, so daß die maximale Beschleunigung α_max, die durch die Beschleu nigungs-Berechnungseinrichtung 4A berechnet wird, auf der Be schleunigungs-Anzeigeeinrichtung 6 dargestellt wird. Die an gezeigte maximale Beschleunigung α_max wird zur Einstellung der Beschleunigungsparameter der Positions-Steuereinrichtung 1 verwendet. Folglich erlaubt ein einmaliger Testbetrieb, die Werte der Parameter festzulegen, wodurch somit ein empiri sches Ermittlungsverfahren (trial-and-error testing) nicht notwendig ist. Im Ergebnis wird der Einstellvorgang verein facht und kann schnell ausgeführt werden.

Die vorstehend beschriebene Positioniervorrichtung weist so mit eine Positions-Vorgabeeinrichtung auf, die einen Positi ons-Vorgabewert für ein gesteuertes Objekt ausgibt, sowie ei ne Positions-Steuereinrichtung zum Steuern des Objekts der art, daß dessen Momentan-Positionswert mit dem Positions-Vor gabewert in Übereinstimmung gebracht wird. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Massen-Schätzeinrichtung, die die Masse oder die Trägheit des gesteuerten Objekts schätzt, eine Maximalbeschleunigungs-Berechnungseinrichtung, die die maxi male Beschleunigung des gesteuerten Objekts auf der Basis der durch die Massen-Schätzeinrichtung geschätzten Masse berech net, und einen Beschleunigungsbegrenzer, der die zweite Ab leitung des Positions-Vorgabewerts auf einen Wert kleiner als die maximale Beschleunigung begrenzt. Mit der Positioniervor richtung kann ein durch die Parametereinstellung der Positi ons-Vorgabeeinrichtung oder der Positions-Steuereinrichtung bedingter instabiler Betriebszustand vermieden werden.

Claims

1. Positionier-Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Positions-Vorgabeeinrichtung (1A) zum Ausgeben ei nes Positions-Vorgabewerts X* für ein gesteuertes Objekt (3);
eine Positions-Erfassungseinrichtung (3A) zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts (3) und zum Aus geben eines Momentan-Positionswerts (X) des gesteuerten Ob jekts (3);
eine Positions-Steuereinrichtung (2) zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt (3) ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positionswert (X) des gesteuerten Objekts (3) mit dem Positions-Vorgabewert (X*) in Übereinstimmung ge bracht wird;
eine Schätzeinrichtung (4) zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts (3);
eine Beschleunigungs-Berechnungseinrichtung (4A) zum Berechnen einer maximalen Beschleunigung (α_max) des gesteuer ten Objekts (3) auf der Grundlage der durch die Schätzein richtung (4) geschätzten Masse, sowie zum Berechnen einer ma ximalen Kraft (F_max), die durch die Steuereinrichtung (2) be reitgestellt werden kann; und
eine Beschleunigungs-Begrenzungseinrichtung (11) zum Begrenzen der zweiten zeitlichen Ableitung des Positions-Vor gabewerts (X*) auf die durch die Berechnungseinrichtung (4A) ermittelte maximale Beschleunigung.

2. Positionier-Vorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Positions-Vorgabeeinrichtung (1) zum Ausgeben ei nes ersten Positions-Vorgabewerts (X*) für ein gesteuertes Objekt (3);
eine Positions-Erfassungseinrichtung (3A) zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts (X) und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts (X) des gesteuerten Objekts (3);
eine Positions-Steuereinrichtung (2A) zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt (3) ausgeübten Kraft derart, daß der Momentan-Positionswert (X) des gesteuerten Objekts (3) mit dem Positions-Vorgabewert (X*) in Übereinstimmung ge bracht wird;
eine Schätzeinrichtung (4) zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts (3);
eine Beschleunigungs-Berechnungseinrichtung (4A) zum Berechnen einer maximalen Beschleunigung (α_max) des gesteuer ten Objekts (3) auf der Grundlage der durch die Schätzein richtung (4) geschätzten Masse, sowie zum Berechnen einer ma ximalen Kraft (F_max), die durch die Steuereinrichtung (2A) bereitgestellt werden kann; und
eine Glättungseinrichtung (5a) zum zeitbezogenen Glät ten des ersten Positions-Vorgabewerts (X₁*) sowie zum Ausge ben eines zweiten Positions-Vorgabewerts (X₂*); und
eine Beschleunigungs-Steuereinrichtung (5b) zum Begren zen der zweiten zeitlichen Ableitung des zweiten Positions- Vorgabewerts (X₂*) auf die durch die Berechnungseinrichtung (4A) ermittelte maximale Beschleunigung (α_max).

3. Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Beschleunigungs-Steuereinrichtung (5b) eine Konstante der Glättungseinrichtung (5a) derart steuert, daß der Glättungsgrad ausschließlich erhöht wird.

4. Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Konstante der Glättungseinrichtung (5a) nur dann auf ihren Anfangswert zurückgesetzt wird, wenn Ein gangssignal und Ausgangssignal der Glättungseinrichtung (5a) übereinstimmen.

5. Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Glättungseinrichtung (5a) als Tiefpaßfilter ausgebildet ist und die Konstante der Glättungsein richtung (5a) dessen Zeitkonstante darstellt.

6. Positionier-Vorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Positions-Vorgabeeinrichtung (1) zum Ausgeben ei nes ersten Positions-Vorgabewerts (X*) für ein gesteuertes Objekt (3);
eine Positions-Erfassungseinrichtung (3A) zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts (3) und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts (X) des gesteuerten Objekts (3);
eine Positions-Steuereinrichtung (2A) zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt (3) ausgeübten Kraft (F) derart, daß der Momentan-Positionswert (X) des gesteuerten Objekts (3) mit dem Positions-Vorgabewert (X*) in Übereinstimmung ge bracht wird, wobei die Positions-Steuereinrichtung (2A) eine Positions-Einstelleinrichtung (21, 22) beinhaltet, mittels der ein Geschwindigkeits-Vorgabewert (n*) durch Multiplikati on der Differenz aus dem Positions-Vorgabewert (X*) und dem Momentan-Positionswert (X) mit einem Verstärkungsfaktor (Kp) erhalten wird, sowie eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung (23) zum Steuern des gesteuerten Objekts (3) derart, daß des sen Momentan-Geschwindigkeitswert (n) mit dem Geschwindig keits-Vorgabewert (n*) in Übereinstimmung gebracht wird;
eine Schätzeinrichtung (4) zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts (3);
eine Beschleunigungs-Berechnungseinrichtung (4A) zum Berechnen einer maximalen Beschleunigung (α_max) des gesteuer ten Objekts (3) auf der Grundlage der durch die Schätzein richtung (4) geschätzten Masse, sowie zum Berechnen einer ma ximalen Kraft (F_max), die durch die Steuereinrichtung (2A) bereitgestellt werden kann; und
eine Beschleunigungs-Steuereinrichtung (5) zum Begren zen der zweiten zeitlichen Ableitung des durch die Positions- Einstelleinrichtung (21, 22) ausgegebenen Geschwindigkeits- Vorgabewerts (n*) auf die durch die Berechnungseinrichtung (4A) ermittelte maximale Beschleunigung (α_max).

7. Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Beschleunigungs-Steuereinrichtung (5) den Verstärkungsfaktor (Kp) der Positions-Einstelleinrichtung (2A) derart steuert, daß der Verstärkungsfaktor (Kp) aus schließlich verkleinert wird.

8. Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (Kp) der Positions- Einstelleinrichtung (2A) nur dann auf seinen Anfangswert zu rückgesetzt wird, wenn der Positions-Vorgabewert (X*) und der Momentan-Positionswert (X) übereinstimmen.

9. Positionier-Vorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Positions-Vorgabeeinrichtung (1) zum Ausgeben ei nes ersten Positions-Vorgabewerts (X*) für ein gesteuertes Objekt (3);
eine Positions-Erfassungseinrichtung (3A) zum Erfassen der momentanen Position des gesteuerten Objekts (3) und zum Ausgeben eines Momentan-Positionswerts (X) des gesteuerten Objekts (3);
eine Positions-Steuereinrichtung (2B) zum Steuern einer auf das gesteuerte Objekt (3) ausgeübten Kraft (F) derart, daß der Momentan-Positionswert (X) des gesteuerten Objekts (3) mit dem Positions-Vorgabewert (X*) in Übereinstimmung ge bracht wird, wobei die Positions-Steuereinrichtung (2B) eine Positions-Einstelleinrichtung (21, 22) beinhaltet, mittels der ein Geschwindigkeits-Vorgabewert (n*) durch Multiplikati on der Differenz aus dem Positions-Vorgabewert (X*) und dem Momentan-Positionswert (X) mit einem Verstärkungsfaktor (Kp) erhalten wird, sowie eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung (23) zum Steuern des gesteuerten Objekts (3) derart, daß des sen Momentan-Geschwindigkeitswert (n) mit dem Geschwindig keits-Vorgabewert (n*) in Übereinstimmung gebracht wird;
eine Schätzeinrichtung (4) zum Schätzen der Masse des gesteuerten Objekts (3);
eine Maximalbeschleunigungs-Berechnungseinrichtung (4A) zum Berechnen einer maximalen Beschleunigung (α_max) des ge steuerten Objekts (3) auf der Grundlage der durch die Schätz einrichtung (4) geschätzten Masse, sowie zum Berechnen einer maximalen Kraft (F_max), die durch die Steuereinrichtung (2B) bereitgestellt werden kann; und
eine Anzeigeeinrichtung (6) zum Anzeigen der maximalen Beschleunigung (α_max) oder einer Beschleunigungszeit und ei ner Verzögerungszeit, die auf der Grundlage der Masse und der durch die Positions-Steuereinrichtung (2B) bereitstellbaren maximalen Kraft (F_max) berechnet werden.