DE69612896T2

DE69612896T2 - System und Methode zur Regelung mit Hilfe einer äquivalenten Schaltung, die als Referenz angewandt wird

Info

Publication number: DE69612896T2
Application number: DE69612896T
Authority: DE
Inventors: Koji Imai; Kazutsugu Suita; Nuio Tsuchida; Yoji Yamada
Original assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: JPH08249008A; DE69612896D1; KR100206624B1; US5798919A; EP0731398B1; EP0731398A2; KR960035183A; EP0731398A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Techniken zur Steuerung physikalischer Systeme als Steuerungsobjekt, wie etwa uniaxiale Roboter, multiaxiale Roboter, Kurbelwellenmechanismen, Getriebe, akustische Wandler, akustische Filter, geschlossene U-Rohre, Kühlrippen usw., und insbesondere auf Techniken zur Steuerung der Ausgabe eines physikalischen Systems durch Steuerung der Eingabe in dieses. Die Erfindung bezieht sich beispielsweise auf Techniken zur Steuerung der Ausgabe eines uniaxialen Roboters, wie etwa der Drehposition, der Drehgeschwindigkeit und der Drehbeschleunigung eines Gelenks des Roboters, durch Steuerung eines dem Gelenkantriebsmotor zugeführten Eingabestroms, zur Steuerung der Hubrichtungskraft eines Kurbelwellenmechanismus durch Steuerung des Drehmoments, zur Steuerung des Ausgabeschalldrucks eines akustischen Wandlers durch Steuerung des Eingabeschalldrucks, zur Steuerung des Druckhöhenniveaus eines geschlossenen U-Rohrs auf einer seiner Endseiten durch Steuerung eines auf die andere Endseite aufgebrachten Drucks und zur Steuerung der Temperatur am entfernten Ende einer Kühlrippe durch Steuerung ihrer Fußtemperatur.

Beschreibung des Status der Technik

Die JP-A-63-63693 offenbart eine Ausführungsart der obigen Techniken. Die offenbarte Technik umfasst die Schritte Analysieren der Beziehung zwischen der Eingabe und der Ausgabe eines physikalischen Systems als Steuerungsobjekt, Aufstellen eines mathematischen Modells des physikalischen Systems gemäß der analysierten Beziehung, unter Verwendung des mathematischen Modells Durchführen einer Computersimulation über den Betrieb des physikalischen Systems gleichzeitig und parallel zu dem Betrieb des physikalischen Systems, Vergleichen der tatsächlichen Ausgabe des physikalischen Systems und des Simulationsergebnisses und Bereitstellen einer Anomaliesanzeige, wenn die Vergleichsdaten nicht in Übereinstimmung sind. Diese Technik erlaubt das Erfassen des Auftretens einer Anomalie der einen oder anderen Art, wodurch ein Failsafe-Prozess ermöglicht wird.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift EP-A-0251514 ein Steuerungssystem gemäß dem Obergriff von Patentanspruch 1 bekannt. Das Steuerungssystem findet bei einem industriellen Roboter mit Mehrgelenkarm Anwendung. Die von den Robotergelenken erfassten Analogwerte werden mit Bezugswerten verglichen, die von einem Computer auf der Grundlage eines dynamischen Simulationsmodells berechnet werden.
In beiden Fällen erfolgt die Computersimulation jedoch digital und erfordert eine Analog-Digital-Umwandlung. Darüber hinaus ist die Abtastungsrate der Eingabewerte durch die Computerspezifikationen bestimmt und kann nicht stufenlos erhöht werden. Vor allem aber ist die Simulation mit Berechnungen verbunden, die die Operationen Lösen von Differentialgleichungen und/oder Abweichungen betreffenden Gleichungen erfordern. Dieser Prozess ist mit beträchtlichem Zeitaufwand verbunden. Außerdem erfordert der Vergleich der tatsächlichen Werte und der berechneten Werte eine Digital-Analog-Umwandlung. Aufgrund des jeweiligen, wie oben angesprochenen Zeitaufwands kann die Computerverarbeitung häufig keinem gerade stattfindenden Hochgeschwindigkeitsphänomen folgen. In diesem Fall wird der Failsafe-Prozess nicht ausgeführt. So macht insbesondere ein kompliziertes Verhalten eines physikalischen Systems eine ausgesprochen lange Simulationszeit notwendig, wodurch sich eine Realzeitsimulation selbst dann schwierig gestaltet, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit des Phänomens nicht allzu hoch ist. Dieses Problem kann nicht ignoriert werden, wenn in der Praxis ein Personalcomputer oder ein ähnlich leicht verfügbarer Computer verwendet wird.
Abgesehen davon ist es mit großem Zeitaufwand und Mühen verbunden, ein mathematisches Modell zu entwickeln und ein Simulationsprogramm aufzustellen. Ein weiteres Problem ist, dass bei einer Computersimulation, die ein mathematisches Modell verwendet, aufgrund von Programmfehlern oder ähnlichen Ursachen zwangsläufig Fälle von fehlerhafter Simulation auftreten. Daher können nicht immer hochzuverlässige Failsafe-Prozesse gewährleistet werden.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Problem zu lösen, dass einem gerade stattfindenden Phänomen aufgrund einer langen Zeitdauer, die mit der Simulation eines komplexen physikalischen Systems verbunden ist, nicht gefolgt werden kann. Darüber hinaus soll das Problem der geringen Zuverlässigkeit einer solchen Simulation und des zur Fertigstellung eines Simulationsprogramms erforderlichen zu hohen Zeit- und Arbeitsaufwands gelöst werden.
Die obige Aufgabe wird durch ein Steuerungssystem gemäß Patentanspruch 1 und ein Steuerungsverfahren gemäß Patentanspruch 2 gelöst, das einen vorbereitenden Schritt zum Aufbau eines Steuerungssystem gemäß Patentanspruch 1 umfasst.
Erfindungsgemäß ist ein Steuerungssystem vorgesehen, das die Ausgabe eines physikalischen Systems als Steuerungsobjekt durch Steuerung der Eingabe in das physikalische System steuert. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, umfasst das Steuerungssystem eine Eingabesteuerungseinrichtung 10 zur Steuerung einer Eingabe 11 in das physikalische System 12 als Steuerungsobjekt, eine elektrische Äquivalenzschaltung 18, die so konstruiert ist, dass sie zu dem physikalischen System 12 äquivalent ist, eine Ausgabeerfassungseinrichtung 15 zur Erfassung der Ausgabe 13 des physikalischen Systems bei vorhandener Eingabe 11 in das physikalische System 12, eine Bezugswerterfassungseinrichtung 17 zur Erfassung eines Bezugswerts der elektrischen Äquivalenzschaltung 18 bei vorhandener Eingabe in die elektrische Äquivalenzschaltung 18 und eine Vergleichseinrichtung 16 zum Vergleich des erfassten Werts der Ausgabeerfassungseinrichtung 15 und des erfassten Werts der Bezugswerterfassungseinrichtung 17.
In die elektrische Äquivalenzschaltung 18 wird der gleiche Wert wie in das physikalische System 12 eingegeben. Bei der Schaltung 18 ist kein Analog-Digital- Umwandlungsprozess erforderlich. Das bedeutet, dass dabei insofern nicht die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme auftreten, als Einschränkungen bezüglich der von dem Analog-Digital-Umwandlungsprozess in Anspruch genommenen Zeit und des Eingabeabtastintervalls zu einer zeitlichen Abweichung zwischen der Eingabe in das physikalische System 12 und der Eingabe in die ein mathematisches Modell verwendende Computersimulation führen können. Bei dem besprochenen System werden keine Eingabewertabweichungen in einer kürzeren Zeitdauer als dem Abtastintervall ignoriert.
In der elektrischen Äquivalenzschaltung 18 findet erfindungsgemäß gleichzeitig und parallel ein Phänomen statt, das zu dem in dem physikalischen System 12 äquivalent ist. Dadurch lässt sich das aus dem Stand der Technik bekannte Problem lösen, dass Simulationsberechnungen hinter dem gerade stattfindenden Phänomen zurückbleiben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass die Ausgabe des physikalischen Systems 12 ein Analogwert ist, während der Bezugswert der elektrischen Äquivalenzschaltung 18 ebenfalls ein Analogwert ist. Das heißt, dass lediglich diese beiden Analogwerte verglichen werden müssen und weder eine Analog-Digital- oder Digital- Analog-Umwandlung erforderlich ist.
Verglichen mit der Erzeugung eines mathematischen Modells hat die Erfindung darüber hinaus den Vorteil, dass sich die elektrische Äquivalenzschaltung 18 selbst bei einem komplizierten Verhalten des physikalischen Systems 12 leicht herstellen lässt, wodurch das Erfordernis des großen Zeitaufwands bis zur Fertigstellung des mathematischen Modells ausgeschlossen werden kann.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Steuerungsverfahren vorgesehen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Steuerungsverfahren durchgeführt durch Ausführung eines Schritts 19 zum Messen von Parametern des physikalischen Systems durch mehrmaliges Messen der Eingabe und der Ausgabe des physikalischen Systems, einen Schritt 20 zum Berechnen von zu dem in dem Messschritt gemessenen Parametern äquivalenten elektrischen Parametern und einen Schritt 21 zum Herstellen einer elektrischen Äquivalenzschaltung unter Verwendung von Teilen, die mit den berechneten elektrischen Parametern versehen sind, sowie durch Ausführung einer tatsächlichen Steuerung durch Eingeben der Eingabe in das physikalische System wie auch die elektrische Äquivalenzschaltung und durch Ausführung eines Schritts 22 zum kontinuierlichen Vergleichen der Ausgabe des physikalischen Systems und des Bezugswerts der elektrischen Äquivalenzschaltung. Die Schritte 19 bis 21 werden vorbereitend ausgeführt und der Schritt 22 während der tatsächlichen Steuerung.
Bei diesem Verfahren wird die elektrische Äquivalenzschaltung 18 in den Schritten 19 bis 21 hergestellt, wobei bei der tatsächlichen Steuerung das physikalische System 12 und die elektrische Äquivalenzschaltung 18 gleichzeitig und parallel überwacht werden. Das Ergebnis der Überwachung wird kontinuierlich verglichen, sodass eine Realzeiterfassung über das Auftreten einer SteuerungsAnomalie oder dergleichen erhalten werden kann.
Bei einer Technik, bei der eine Überwachung, ob sich ein physikalisches System normal oder anormal verhält, durch kontinuierliches Vergleichen eines in dem System stattfindenden Phänomens und eines in einem Modell stattfindenden Phänomens erfolgt, und auch bei einer Steuerungstechnik, bei der Beurteilungsfunktionen Anwendung finden, die eine Fehlergröße in dem Modell verwenden, erlaubt die Erfindung eine Optimierung der Phänomene in dem physikalischen System wie auch dem Modell. Es wird eine zu dem physikalischen System äquivalente elektrische Schaltung hergestellt und sowohl das System als auch die Schaltung mit einer Eingabe versorgt. In diesem Zustand wird die Ausgabe des physikalischen Systems und der Bezugswert der elektrischen Äquivalenzschaltung verglichen. Die Verwendung der elektrischen Äquivalenzschaltung erlaubt es, das dem Stand der Technik eigene Problem zu lösen, dass die für eine Analog-Digital-Umwandlung und numerische Berechnungen notwendige Zeit länger als die Dauer des gerade stattfindenden Phänomens ist und eine Realzeitsimulation unmöglich macht.
Abgesehen davon können das Steuerungssystem gemäß Patentanspruch 1 und das Steuerungsverfahren gemäß Patentanspruch 2 zur Steuerung eines wie in Patentanspruch 3 dargestellten zweiaxialen Roboters eingesetzt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Prinzipien, denen die Erfindung unterliegt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 3 eine elektrische Äquivalenzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4(A) und Fig. 4(B) Ansichten eines Kurbelwellenmechanismus beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür;
Fig. 5(A) und Fig. 5(B) Ansichten eines Getriebes beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür;
Fig. 6(A) und Fig. 6(B) Ansichten eines akustischen Wandlers beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür;
Fig. 7(A) und Fig. 7(B) Ansichten eines akustischen Filters beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür;
Fig. 8(A) und Fig. 8(B) Ansichten eines geschlossenen U-Rohrs beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür; und
Fig. 9(A) und Fig. 9(B) Ansichten einer Kühlrippe beziehungsweise einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das bei einem zweiaxialen Roboter 39 Anwendung findet. Der Roboter 39 weist einen Sockel 54 auf, der einen um eine erste Achse 48 drehbaren ersten Arm 44 trägt. Der Drehwinkel q&sub1; des ersten Arms 44 wird durch einen ersten Motor 40 eingestellt. Der erste Arm 44 hat ein freies Ende, das einen um eine zweite Achse 50 drehbaren zweiten Arm 46 trägt. Der Drehwinkel q&sub2; des zweiten Arms 46 wird durch einen zweiten Motor 42 eingestellt. Der erste und zweite Motor 40 und 42 erzeugen jeweils Drehmomente τ&sub1; und τ&sub2;, die zu Eingabeströmen I&sub1; und I&sub2; proportional sind (τ&sub1; = k&sub1; · I&sub1;, τ&sub2; = k&sub2; · I&sub2;). Die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; werden von einer Zwei- Achsen-Steuerungseinrichtung 30 gesteuert. Die Zwei- Achsen-Steuerungseinrichtung 30 steuert die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; im Zeitverlauf gemäß einem Arbeitsprogramm für den Roboter 39. Der Roboter 39 führt daher gemäß dem Arbeitsprogramm Operationen wie etwa eine Drehung bei geringer Geschwindigkeit, eine Drehung bei hoher Geschwindigkeit oder eine Drehung in entgegengesetzter Richtung aus. Die Zwei-Achsen-Steuerungseinrichtung 30 umfasst einen Digitalcomputer mit einem eingebauten Interface und kann Analogwerte der Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; steuern.
In dem ersten Motor 40 ist ein Tachogenerator 36 vorgesehen und in dem zweiten Motor 42 ein weiterer Tachogenerator 38. Diese Tachogeneratoren 36 und 38 sorgen für Ausgabesignale 80 und 82, deren Wert proportional zu den Winkelgeschwindigkeiten der Drehung sind. Genauer gesagt gibt der Tachogenerator 36 einen Analogwert aus, der proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des ersten Arms 44 ist, während der Tachogenerator 38 einen Analogwert ausgibt, der proportional zu der Drehgeschwindigkeit des zweiten Arms 46 ist. Diese zu den Drehgeschwindigkeiten proportionalen Analogwerte werden in einen der Eingabeanschlüsse eines jeweiligen Operationsverstärkers 70, 74 eingegeben.
Die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2;, die durch die Zwei-Achsen- Steuerungseinrichtung 30 gesteuert werden, werden auch in eine elektrische Äquivalenzschaltung 52 eingegeben. Die elektrische Äquivalenzschaltung 52 umfasst ein Paar Widerstände 54 und 56. Entlang dem Widerstand 54 wird eine zu dem Eingabestrom I&sub1; proportionale Spannung k&sub1; · I&sub1; erzeugt, während entlang dem Widerstand 56 eine zu dem Eingabestrom I&sub2; proportionale Spannung k&sub2; · I&sub2; erzeugt wird. Der Widerstand 54 bildet zusammen mit einem daran angeschlossenen Widerstand 62 und einer Spule 58 einen ersten geschlossenen Kreis 67. Der Widerstand 56 bildet zusammen mit einem daran angeschlossenen Widerstand 64 und einer Spule 60 einen zweiten geschlossenen Kreis 69. Die wechselseitige Induktivität zwischen den Spulen 58 und 60 beträgt M.
Der erste geschlossene Kreis 67 weist einen ersten Stromdetektor 66 auf, der einen zu einem Strom 11 in dem ersten Kreis 67 proportionalen Analogwert 84 ausgibt. Der zweite geschlossene Kreis 69 weist einen zweiten Stromdetektor 68 auf, der einen zu einem Strom 12 in dem zweiten geschlossenen Kreis 69 proportionalen Analogwert 86 ausgibt. Der zu dem Strom i&sub1; in dem ersten geschlossenen Kreis 67 proportionale Wert 84 wird in den anderen Eingabeanschluss des Operationsverstärkers 70 eingegeben. Entsprechend wird der zu dem Strom 12 in dem zweiten geschlossenen Kreis 69 proportionale Wert 86 in den anderen Eingabeanschluss des Operationsverstärkers 74 eingegeben. Der Operationsverstärker 70 vergleicht den zu der Drehgeschwindigkeit des ersten Arms 44 proportionalen Analogwert 80 und den zu dem Strom i&sub1; in dem ersten geschlossenen Kreis 67 proportionalen Analogwert 84 und betätigt einen Alarm 72, wenn die Differenz zwischen den verglichenen Werten einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der Operationsverstärker 74 vergleicht den zu der Drehgeschwindigkeit des zweiten Arms 46 proportionalen Analogwert 82 und den zu dem Strom i&sub2; in dem zweiten geschlossenen Kreis 69 proportionalen Analogwert 86 und betätigt einen Alarm 76, wenn die Differenz zwischen den verglichenen Werten einen vorbestimmen Wert überschreitet. Die Alarme 72 und 76 sind an die Zwei- Achsen-Steuerungseinrichtung 30 angeschlossen, die den Betrieb des Roboters 39 stoppt, wenn zumindest einer der Alarme 72 und 76 betätigt wird. Als Alternative zum Stoppen des Roboters 39 ist es auch möglich, die Operationsverstärker 70 und 74 zu veranlassen, Differenzen zu erfassen und die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; mit den erfassten Differenzen zu korrigieren.
Wenn die Masse des ersten Arms 44 mit m&sub1;, der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des ersten Arms 44 und der ersten Achse 48 mit r&sub1;, die Masse des zweiten Arms 46 mit m&sub2;, der Abstand zwischen dem Schwerpunkt des zweiten Arms 46 und der zweiten Achse 50 mit r&sub2;, der Abstand zwischen der ersten und zweiten Achse 48 und 50 mit l&sub1;, das Trägheitsmoment des ersten Arms 44 mit I&sub1;, das Trägheitsmoment des zweiten Arms mit I&sub2;, der Reibungskoeffizient um die erste Achse 48 mit d&sub1; und der Reibungskoeffizient um die zweite Achse 50 mit d&sub2; bezeichnet werden, ist für das durch den ersten Motor 40 aufgebrachte Drehmoments k&sub1; · I&sub1; die Gleichung (1) in Fig. 2 erfüllt und ist für das von dem zweiten Motor 42 aufgebrachte Drehmoment k&sub2; · I&sub2; die Gleichung (4) erfüllt. Die Gleichungen (1) und (4) sind Näherungsfunktionen, die durch Entfernung von nicht-linearen Termen aus der Lagrangeschen Funktion erhalten werden.
Wenn der Widerstand des Widerstands 62 mit R&sub1;, die Induktivität der Spule 58 mit L&sub1;, der Widerstand des Widerstands 64 mit R&sub2;, die Induktivität der Spule 60 mit L&sub2; und die wechselseitige Induktivität zwischen den Spulen 58 und 60 mit M bezeichnet werden, ist bezüglich des ersten geschlossenen Kreises 67 die Gleichung (2) erfüllt und ist bezüglich des zweiten geschlossenen Kreises 69 die Gleichung (3) erfüllt.
Wie aus der Form der Gleichungen (1), (2), (3) und (4) hervorgeht, kann eine perfekte gegenseitige Proportionalität der Umdrehungsgeschwindigkeiten (d. h. der ersten Ableitungen der Drehwinkel q&sub1; und q&sub2;) und der Ströme I&sub1; und I&sub2; erhalten werden, wenn die Werte der Induktivitäten L&sub1;, L&sub2; und M und der Widerstände R&sub1; und R&sub2; proportional zu den Koeffizienten in den Gleichungen (1) und (4) eingestellt werden. Mit anderen Worten ergibt sich, dass das durch die Gleichungen (1) und (4) ausgedrückte Verhalten des multiaxialen Roboters 39 und das elektrische Verhalten der elektrischen Äquivalenzschaltung 52 physikalisch äquivalent zueinander sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden unter Vorgabe verschiedener Werte für die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; in den Roboter 39 der Drehwinkel, die Drehgeschwindigkeit und die Drehbeschleunigung des multiaxialen Roboters 39 vorab gemessen. Die Koeffizienten in den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich dabei aus den Werten des Eingabestroms und der Ausgabe nach der Methode der kleinsten Quadrate. Die elektrischen Parameter für die Spulen S8 und 60, die Widerstände 62 und 64 usw. werden auf diese Weise anhand der erhaltenen Koeffizienten gewählt. In diesem Fall werden die in den Operationsverstärker 70 eingegebenen Analogwerte 80 und 84 so eingestellt, dass sie zueinander gleich sind, und auch die in den Operationsverstärker 74 eingegebenen Analogwerte 82 und 86 werden so eingestellt, dass sie zueinander gleich sind. Es ist auch möglich, zur Analogwerteinstellung separate Operationsverstärker vorzusehen. Für den Fachmann dürfte ohne Weiteres ersichtlich sein, dass das in einem mechanischen System auftretende Verhalten und das in einem elektrischen System auftretende Verhalten zueinander äquivalent gestaltet werden kann.
In der Vorbereitungsstufe werden die Koeffizienten (oder Parameter) in den Gleichungen (1) und (2), die die Bewegung des physikalischen Systems beschreiben, gemessen und wird die elektrische Äquivalenzschaltung 52 hergestellt, die ein äquivalentes elektrisches Phänomen mit sich bringt. Das heißt, dass das in der oberen Hälfte in Fig. 2 gezeigte System vorab aufgebaut wird.
Bei der tatsächlichen Steuerung werden die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; kontinuierlich in die elektrische Äquivalenzschaltung 52 eingegeben. Während dieser Zeit erfassen die Tachogeneratoren 36 und 38 kontinuierlich Ausgaben des physikalischen Systems (d. h. Drehgeschwindigkeiten), während die Stromdetektoren 66 und 68 kontinuierlich Bezugswerte (d. h. Ströme in diesem Fall) in der elektrischen Äquivalenzschaltung 52 erfassen. Jeder der Operationsverstärker 70 und 74 erfasst kontinuierlich die in ihn eingegeben zwei Werte.
Wenn in dem Steuerungssystem keine Anomalie erzeugt wird, findet in der elektrischen Äquivalenzschaltung 52 ein zu dem des physikalischen Systems äquivalentes Phänomen statt, wobei die zwei in jeden der Operationsverstärker 70 und 74 eingegebenen Analogwerte gleich sind und keiner der Alarme 72 und 76 betätigt wird. Wenn irgendeine Anomalie auftritt, beispielsweise wenn der Roboter 39 auf ein Hindernis trifft, sodass der geplante Betrieb verhindert wird, vermögen das Verhalten des physikalischen Systems und der elektrischen Äquivalenzschaltung 52 nicht, miteinander in Übereinstimmung zu sein. Wenn zum Beispiel die Bewegung des ersten Arms 44 unerwartet beschränkt wird, sind die Drehgeschwindigkeit des ersten Arms 44 und der Strom in dem ersten geschlossenen Kreis 67 nicht mehr proportional. Dies führt in Übereinstimmung mit den Pegeln der Eingaben in den ersten Operationsverstärker 70 zu einem Fehler, was zum Auslösen des Alarms 72 führt. Wenn die Bewegung des zweiten Arms 46 unerwartet beschränkt wird, sind entsprechend die Drehgeschwindigkeit des zweiten Arms 46 und der Strom in dem zweiten geschlossenen Kreis 69 nicht mehr proportional zueinander, sodass die Pegel der Eingaben in den zweiten Operationsverstärker 74 nicht mehr in Übereinstimmung sind, was zum Auslösen des Alarms 76 führt.
Wie vorstehend beschrieben ist, werden bei diesem Ausführungsbeispiel während der tatsächlichen Steuerung die gleichen Eingabedaten in sowohl das physikalische System als auch in die elektrische Äquivalenzschaltung 52 eingegeben, damit die äquivalenten Phänomene gleichzeitig und parallel stattfinden. Es ist daher möglich, in Realzeit eine Überwachung im Hinblick auf eine Anomalie durchzuführen beziehungsweise den geplanten Betrieb zu überwachen.
In Fig. 2 nutzen sämtliche der außerhalb der Zwei-Axial- Steuerungseinrichtung 30 stattfindenden Phänomene Analogwerte und erfordert der Überwachungsablauf keine Analog- Digital- oder Digital-Analog-Umwandlung. Die elektrische Äquivalenzschaltung 52 ist eine Analogschaltung, wobei bei dieser Schaltung ein zu dem des Roboters 39 äquivalentes Verhalten gleichzeitig und parallel erhalten wird. Mit anderen Worten wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Gleichzeitigkeit der äquivalenten Phänomene aufrechterhalten. So wird in der ein mathematisches Modell nutzenden herkömmlichen Simulationstechnik eine rasche Änderung der Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; ignoriert, wenn die Änderung der Eingabeströme verglichen mit der Abtastrate rasch ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hält die elektrische Äquivalenzschaltung 52 dagegen in Bezug auf den Roboter 39 ein äquivalentes Verhalten aufrecht, selbst wenn die Eingabeströme I&sub1; und I&sub2; rasch wechseln.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Gleichungen (1) und (4) Näherungsfunktionen, die frei von nicht-linearen Termen sind. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung stellt eine elektrische Näherungsäquivalenzschaltung für diesen Fall dar, während in Fig. 3 eine elektrische Äquivalenzschaltung gezeigt ist, bei der auch nicht-lineare Terme Berücksichtigung finden. Bei den nachstehend aufgeführten Gleichungen (5) bis (13) ist durch die Verwendung der Koeffizienten in den Gleichungen (5) bis (7) die Bewegung um die erste Achse durch die Gleichung (8) und die Bewegung um die zweite Achse durch die Gleichung (9) gegeben. Diese Bewegungsgleichungen (8) und (9) enthalten nicht-lineare Terme und geben den Einfluss der Corioliskraft, der Zentrifugalkraft und Haltungsänderungen des Roboters 39 wieder. Die Gleichung (10) ist eine Umwandlung der Gleichung (8), und die Gleichung (13) ist eine Umwandlung der Gleichung (9). Die Gleichungen (11) und (12) werden mit der in Fig. 3 gezeigten elektrischen Schaltung erfüllt, d. h. mit einer elektrischen Schaltung, in der der erste Kreis die elektrischen Parameter Selbstinduktivität L&sub3;, wechselseitige Induktivität M&sub2; und Widerstand R&sub3; und der zweite Kreis die Parameter Selbstinduktivität L&sub4;, wechselseitige Induktivität M&sub2; und Widerstand R&sub4; aufweist.
C&sub1; = I&sub1; + I&sub2; + m&sub1;r&sub1;² + m&sub2;I&sub1;² + m&sub2;r&sub2;² (5)
C&sub2; = I&sub2; + m&sub2;r&sub2;² (6)
C&sub3; = m&sub2;I&sub1;r&sub2; (7)
Es liegt auf der Hand, dass das mechanische Verhalten des Roboters und das in der elektrischen Schaltung stattfindende Phänomen zueinander äquivalent sind, sofern die Koeffizienten in den Bewegungsgleichungen des Roboters proportional zu den Koeffizienten in der elektrischen Schaltung sind. In diesem Fall sind die Umdrehungsgeschwindigkeit um die erste Achse und der Strom 11 in dem ersten Kreis äquivalent und sind die Drehgeschwindigkeit um die zweite Achse und der Strom 12 in dem zweiten Kreis äquivalent.
Damit auch die nicht-linearen Terme Berücksichtigung finden, müssen die elektrischen Parameter des einen Kreises gemäß dem Strom in dem anderen Kreis geändert werden. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, wird für den Widerstand 102 und die Spule 104 in dem ersten Kreis ein Reaktanztransistor verwendet. Ein Reaktanztransistor wird auch für die Spule 106 für die wechselseitige Induktivität verwendet. Diese Reaktanztransistoren haben die Eigenschaft, dass sich ihr Widerstand und ihre Induktivität gemäß dem eingegebenen Strom ändern. Sie erlauben die Herstellung einer elektrischen Schaltung, deren Verhalten mit dem durch die Gleichungen (10) und (13) ausgedrückten Verhalten äquivalent ist, wenn die Eingabeströme wie in Fig. 3 gezeigt eingestellt werden.
Die auf den ersten und zweiten Kreis aufgebrachten Spannungen werden in Fig. 3 durch Strom-Spannungs-Wandler 108 und 110 gemäß den Eingabeströmen gesteuert. In der Schaltung gemäß Fig. 3 werden zur elektrischen Parametersteuerung Stromsignale gesteuert. Ein Stromdetektor 112 erfasst den Strom 12 in dem zweiten Kreis (der äquivalent zu der ersten Ableitung von q&sub2; ist). Durch eine Integrationseinrichtung 114 wird die Ausgabe des Stromdetektors 112 integriert. Das Ausgabesignal der Integrationseinrichtung 114 wird in die Reaktanztransistoren eingegeben, wobei die Induktivitäten der Spulen 104 und 106 in der Quadratschaltung gemäß dem Kosinus des Integrals des Stroms gesteuert werden. Die mit "Quadrat" bezeichneten Elemente geben jeweils ein dem Quadrat des Eingabesignals entsprechendes Ausgabesignal aus. Die mit "Multiplikatoren" bezeichneten Elemente multiplizieren jeweils zwei Eingabeströme miteinander und geben das Produkt aus. Die mit "sin" angegebenen Elemente geben den Sinus des Eingabesignals aus. Auf diese Weise können die Koeffizienten in den Gleichungen (10) und (11) zueinander proportional und die Koeffizienten in den Gleichungen (12) und (13) zueinander proportional eingestellt werden. Das heißt, dass mit der Schaltung gemäß Fig. 3 der Roboter und die elektrische Schaltung zueinander äquivalent eingestellt werden können.
Es ist daher möglich, den Strom 11 in dem ersten Kreis und die Drehgeschwindigkeit um die erste Achse zueinander äquivalent und auch den Strom 12 in dem zweiten Kreis und die Drehgeschwindigkeit um die zweite Achse zueinander äquivalent einzustellen. Indem diese Daten durch die Operationsverstärker 70 und 74 gemäß Fig. 2 verglichen werden, lässt sich eine Überwachung darüber erzielen, ob die äquivalenten Phänomene wie geplant stattfinden oder ob irgendeine Anomalie auftritt. Die elektrische Äquivalenzschaltung gemäß Fig. 3 erlaubt eine genauere Näherung als die elektrische Äquivalenzschaltung gemäß Fig. 2.
Allerdings hat sich als Ergebnis verschiedener von den Erfindern durchgeführter Experimente herausgestellt, dass die Näherungsäquivalenzschaltung gemäß Fig. 2, d. h. die Schaltung 52, die frei von nicht-linearen Termen ist, Phänomene erzeugen kann, die in der Praxis äquivalent eingestellt werden können, und dass mit einer Anordnung, bei der die Alarme 72 und 76 nicht betätigt werden, wenn die in den jeweiligen Operationsverstärker 70, 74 eingegebenen Differenzen in vorbestimmten Bereichen liegen, ein Überwachungsvorgang darüber, ob eine Anomalie stattfindet, möglich ist.
Fig. 4(A) und Fig. 4(B) zeigen einen Kurbelwellenmechanismus beziehungsweise eine elektrische Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall die auf den ersten geschlossenen Kreis 102 aufgebrachte Spannung proportional zu dem Drehmoment M&sub1; der Kurbelwelle eingestellt wird, indem die auf den zweiten geschlossenen Kreis 104 aufgebrachte Spannung proportional zu der Hubkraft F&sub2; eingestellt wird und indem die elektrischen Parameter des ersten und zweiten geschlossenen Kreises 102 und 104 entsprechend den mechanischen Parametern des Kurbelwellenmechanismus eingestellt werden, lässt sich die Beziehung erhalten, dass die Geschwindigkeit oder Drehung um die Kurbelwelle zu dem Strom in dem ersten geschlossenen Kreis 102 äquivalent ist und dass die Hubgeschwindigkeit äquivalent zu dem Strom in dem zweiten geschlossenen Kreis 104 ist. Wie in dem Fall von Fig. 2 ist es auch in diesem Fall möglich, eine Überwachung darüber zu erzielen, ob der Kurbelwellenmechanismus normal oder anormal arbeitet.
Fig. 5(A) und 5(B) zeigen ein Getriebe beziehungsweise eine elektrische Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall die auf den ersten geschlossenen Kreis 106 aufgebrachte Spannung proportional zu dem Drehmoment des ersten Zahnrads 110 eingestellt wird, indem die auf den zweiten geschlossenen Kreis 108 aufgebrachte Spannung proportional zu dem Drehmoment des zweiten Zahnrads 112 eingestellt wird und indem die elektrischen Parameter des ersten und zweiten geschlossenen Kreises 106 und 108 entsprechend den mechanischen Parametern des Getriebes eingestellt werden, wird die Drehgeschwindigkeit des ersten Zahnrads 110 zu dem Strom in dem ersten geschlossenen Kreis 106 äquivalent eingestellt und wird die Drehgeschwindigkeit des zweiten Zahnrads 112 zu dem Strom in dem zweiten geschlossenen Kreis 108 äquivalent eingestellt. Auch in diesem Fall ist es wie in dem Fall von Fig. 2 möglich, eine Überwachung darüber zu erzielen, ob das Getriebe normal oder anormal arbeitet.
Fig. 6(A) und Fig. 6(B) zeigen einen akustischen Wandler, der einen Zylinder großen Durchmessers und einen Zylinder kleinen Durchmessers umfasst, beziehungsweise eine elektrische Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall die mechanischen Parameter des physikalischen Systems (d. h. des akustischen Wandlers) auf die Schaltungsparameter der elektrischen Äquivalenzschaltung eingestellt werden und zwischen den Anschlüssen A und B eine Spannung aufgebracht wird, die proportional zu dem Schalldruck q&sub1; an dem Zylindereinlass großen Durchmessers ist, kann der Schalldruck q&sub2; an dem Zylinderauslass kleinen Durchmessers äquivalent zu der Spannung zwischen den Anschlüssen C und D eingestellt werden. Auch in diesem Fall können das Phänomen in dem physikalischen System und das in der elektrischen Äquivalenzschaltung äquivalent eingestellt werden. Durch Vergleich der zwei Phänomene ist es daher wie in dem Fall der Fig. 2 möglich, eine Überwachung darüber zu erzielen, ob der akustische Wandler normal oder anormal arbeitet.
Fig. 7(A) und Fig. 7(B) zeigen einen akustischen Filter beziehungsweise eine elektrische Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall zwischen den Anschlüssen E und F eine Spannung angelegt wird, die proportional zu dem Eingabeschalldruck P&sub1; ist, wird zwischen den Anschlüssen G und H eine zu dem Ausgabeschalldruck P&sub2; proportionale Spannung erzeugt.
Fig. 8(A) und Fig. 8(B) zeigen ein geschlossenes U-Rohr beziehungsweise eine elektrische Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall zwischen die Anschlüsse I und J eine Spannung angelegt wird, die proportional zu einem auf ein Ende des Rohrs aufgebrachten Druck P ist, kommt es zu einem Stromfluss in der Schaltung, der proportional zu dem Druckhöhenniveau an dem anderen Ende des Rohrs ist.
Fig. 9(A) und Fig. 9(B) zeigen eine Kühlrippe beziehungsweise eine Äquivalenzschaltung dafür. Indem in diesem Fall eine zu der Fußtemperatur T&sub1; der Rippe proportionale Spannung aufgebracht wird, wird zwischen den Anschlüssen M und N eine Spannung erzeugt, die zu der Temperatur T&sub2; am entfernten Ende der Rippe proportional ist.
Die obigen Beispiele für das physikalische System und die elektrische Äquivalenzschaltung dafür ergeben sich aus der Literatur.
Erfindungsgemäß werden in einem physikalischen System und in einer elektrischen Äquivalenzschaltung dafür gleichzeitig äquivalente Phänomene erzeugt und lässt sich dadurch ein Vergleich anstellen, ob die Äquivalenz aufrechterhalten wird, was in Realzeit eine Überwachung darüber erlaubt, ob in dem physikalischen System irgendeine Anomalie stattfindet oder nicht. Abgesehen davon ist es möglich, die von der Analog-Digital-Umwandlung, der Abtastung und der numerischen Berechnung in Anspruch genommene Zeit einzusparen, die bei der Simulation mit einem mathematischen Modell notwendig ist, wodurch die Möglichkeiten eines Zurückbleibens der Simulation hinter dem gerade stattfindenden Phänomenen und einer Simulation mit einer Eingabe unterschiedlichen Werts ausgeschlossen werden. Es ist daher erfindungsgemäß möglich, in Echtzeit eine Überwachung des Verhaltens komplizierter physikalischer Systeme zu erzielen. Darüber hinaus hat die Herstellung einer elektrischen Äquivalenzschaltung den Vorteil, dass sie verglichen mit der Entwicklung eines ein mathematisches Modell verwendenden Simulationsprogramms wenig Zeit erfordert. Des weiteren kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Auch wenn vorstehend einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, können bezüglich der Einzelheiten der Gestaltung Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

1. Steuerungssystem, angepasst zur Steuerung der Ausgabe (13) eines physikalischen Systems (12) als Steuerungsobjekt durch Steuerung der Eingabe (11) in das physikalische System (12), dessen Verhalten durch ein zumindest zweidimensionales Differentialgleichungssystem beschrieben ist, wobei das Steuerungssystem umfasst:

eine Eingabesteuerungseinrichtung (10) zur Steuerung der Eingabe (11) in das physikalische System (12);

einer Ausgabeerfassungseinrichtung (15) zur Erfassung der Ausgabe (13) des physikalischen Systems (12) und zur Bereitstellung eines Analogwerts, während die Eingabe (11) in das physikalische System (12) vorherrscht;

eine Bezugswertbereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung eines Bezugswerts für das physikalische System auf der Grundlage der Eingabe (11) in das physikalische System (12); und

eine Vergleichseinrichtung (16) zum Vergleich des Analogwerts der Ausgabeerfassungseinrichtung (15) und des Bezugswerts der Bezugswertbereitstellungseinrichtung,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Bezugswertbereitstellungseinrichtung umfasst:

eine elektrische Äquivalenzschaltung (18), in die die Eingabe (11) in das physikalische System (12) ebenfalls eingegeben wird; und

eine Bezugswerterfassungseinrichtung (17) zur Erfassung der Ausgabe der elektrischen Äquivalenzschaltung (18) und zur Bereitstellung eines analogen Bezugswerts als dem Bezugswert, während die Eingabe (11) in die elektrische Äquivalenzschaltung (18) vorherrscht,

wobei der analoge Bezugswert der Bezugswerterfassungseinrichtung (17) für den Fall, dass das physikalische System (12) in einem normalen Zustand arbeitet, zu dem Analogwert der Ausgabeerfassungseinrichtung (15) äquivalent ist.

2. Verfahren, angepasst zur Steuerung der Ausgabe (13) eines physikalischen Systems (12) als Steuerungsobjekt durch Steuerung der Eingabe (11) in das physikalische System (12), dessen Verhalten durch ein zumindest zweidimensionales Differentialgleichungssystem beschrieben ist, wobei das Verfahren in einer Vorbereitungsstufe zum Aufbau eines Steuerungssystems gemäß Anspruch 1 umfasst:

einen Schritt (19) zum Messen der Parameter des physikalischen Systems (12) durch mehrmaliges Messen der Eingabe (11) in das und der Ausgabe (13) aus dem physikalischen System (12);

einen Schritt (20) zum Berechnen elektrischer Parameter einer elektrischen Äquivalenzschaltung (18), die zu den in dem Parametermessschritt gemessenen Parametern des physikalischen Systems (12) äquivalent sind; und

einen Schritt (21) zum Herstellen der elektrischen Äquivalenzschaltung (18) des Steuerungssystems, indem Teile mit den berechneten elektrischen Parametern verwendet werden, und

bei der tatsächlichen Steuerung umfasst:

einen Schritt (22) zum Eingeben der Eingabe (11) in sowohl das physikalische System (12) als auch die elektrische Äquivalenzschaltung (18), um in diesem Zustand kontinuierlich den Analogwert der Ausgabeerfassungseinrichtung (15) und den analogen Bezugswert der Bezugswerterfassungseinrichtung (17) zu vergleichen.

3. Steuerungssystem nach Anspruch 1 zur Steuerung eines zwelaxialen Roboters (39) mit einem Sockel (45), einem an dem Sockel (45) angebrachten und bezüglich dessen drehbaren ersten Arm (44), einem an dem freien Ende des ersten Arms (44) angebrachten und bezüglich dessen drehbaren zweiten Arm (46), einem ersten Motor (40) zum Drehen des ersten Arms (44) und einem zweiten Motor (42) zum Drehen des zweiten Arms (46), wobei das Steuerungssystem umfasst:

als die elektrische Äquivalenzschaltung (10; 52) einen ersten geschlossenen Kreis (67), der einen Widerstand (54) mit einem Masseanschluss, entlang dem eine zu dem Strom (32) in dem ersten Motor (40) proportionale Spannung erzeugt wird, und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (62) und einer Spule (58) umfasst, die zwischen den Gegenanschlüssen des Widerstands (54) angeschlossen ist, und einen zweiten geschlossenen Kreis (69), der einen mit einem Masseanschluss versehenen Widerstand (56), entlang dem eine zu dem Strom (34) in dem zweiten Motor (42) proportionale Spannung erzeugt wird, und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (64) und einer Spule (60) umfasst, die zwischen den Gegenanschlüssen des Widerstands (56) angeschlossen ist, wobei die Spule (58) in dem ersten geschlossenen Kreis (67) und die Spule (60) in dem zweiten geschlossenen Kreis (69) induktiv gekoppelt sind;

als die Bezugswerterfassungseinrichtung (17) einen ersten Stromdetektor (66) zur Erfassung des Stroms in dem ersten geschlossen Kreis (67) und zur Bereitstellung eines ersten analogen Bezugswert (64) und einen zweiten Stromdetektor (68) zur Erfassung des Stroms in dem zweiten geschlossenen Kreis (69) und zur Bereitstellung eines zweiten analogen Bezugswerts (86);

als die Ausgabeerfassungseinrichtung (15) einen ersten Tachogenerator (36) zur Ausgabe eines zu der Drehgeschwindigkeit des ersten Arms (44) proportionalen Analogwerts (80) und einen zweiten Tachogenerator (38) zur Ausgabe eines zu der Drehgeschwindigkeit des zweiten Arms (46) proportionalen Analogwerts (82); und

als die Vergleichseinrichtung (16) eine erste Vergleichseinheit (70) zum Vergleich des analogen Bezugswerts (84) des ersten Stromdetektors (66) und des Analogwerts (80) des ersten Tachogenerators (36) und eine zweite Vergleichseinheit (74) zum Vergleich des analogen Bezugswerts (86) des zweiten Stromdetektors (68) und des Analogwerts (82) des zweiten Tachogenerators (38);

wobei der Widerstand R&sub1; des Widerstands (62) und die Induktivität L&sub1; des ersten geschlossenen Kreises (67), der Widerstand R&sub2; des Widerstands (62) und die Induktivität L&sub2; des zweiten geschlossenen Kreises (69) und die wechselseftige Induktivität M zwischen der Spule (58) des ersten geschlossenen Kreises (67) und der Spule (60) des zweiten geschlossenen Kreises (69) gegeben sind durch:

R&sub1; = d&sub2;

L&sub1; = I&sub1; + I&sub2; + m&sub1;r&sub1;² + m²l&sub1;² + m&sub2;r&sub2;²

R&sub2; = d&sub2;.

L&sub2; = I&sub2; + m&sub2;r&sub2;² und

M = I&sub2; + m&sub2;r&sub2;²,

wobei d&sub1; ein Reibungskoeffizient des ersten Arms (44) ist, d&sub2; ein Reibungskoeffizient des zweiten Arms (46) ist, I&sub1; das Trägheitsmoment des ersten Arms (44) ist, I&sub2; das Trägheitsmoment des zweiten Arms (46) ist, ml die Masse des ersten Arms (44) ist, m² die Masse des zweiten Arms (46) ist, l&sub1; der Abstand zwischen dem Drehzentrum des ersten Arms (44) und dem Drehzentrum des zweiten Arms (46) ist, r&sub1; der Abstand zwischen dem Drehzentrum des ersten Arms (44) und dessen Schwerpunkt ist und r&sub2; der Abstand zwischen dem Drehzentrum des zweiten Arms (46) und dessen Schwerpunkt ist.