WO2020207953A1 - Hydrostatisches arbeitsgerät und verfahren zu dessen steuerung - Google Patents

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WO2020207953A1
WO2020207953A1 PCT/EP2020/059728 EP2020059728W WO2020207953A1 WO 2020207953 A1 WO2020207953 A1 WO 2020207953A1 EP 2020059728 W EP2020059728 W EP 2020059728W WO 2020207953 A1 WO2020207953 A1 WO 2020207953A1
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WO
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model
actuators
adaptation
hydrostatic
state
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PCT/EP2020/059728
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Bender
Jochen Mayer
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor

Definitions

  • the invention relates to a hydrostatic implement according to the preamble of
  • Claim 1 and a method for controlling it according to Claim 8.
  • a generic working device has a large number of rotational and / or translational degrees of freedom.
  • the working device consists of a chain of hydrostatic actuators.
  • the working device must work collision-free with the working machine and its surroundings during its range of motion. Furthermore, the tool arranged at the tip of the working device should be precisely and conveniently controllable in all three coordinates. The control should be possible even for inexperienced operators - such as a driver of the mobile work machine - with high dynamics and positioning accuracy.
  • the aging effects of the hydraulic components can lead to a deterioration in behavior over the service life of the equipment.
  • Deviations between the real system and the model of the system shown in the feedforward control can lead to a deterioration in the positioning accuracy.
  • the oscillation of the implement can also be stimulated, since the deviations between the target and actual behavior must be compensated by the controller in a closed circuit.
  • a prerequisite for such an assistance function is generally the acquisition of the
  • Joint angle and generally the kinematics configuration, in particular via angle sensors, cylinder stroke sensors or an inertial sensor system.
  • the invention is based on the object of creating a process-reliable controllable hydrostatic work device, as well as a method for process-reliable control of the work device.
  • the first object is achieved by a hydrostatic working device with the features of patent claim 1, the second by a method with the features of patent claim 8.
  • a hydrostatic work device for a mobile work machine in particular for an excavator, crawler excavator, mobile excavator, mini excavator, backhoe loader or a concrete pump or forest machine, has hydrostatic actuators, in particular kinematically coupled.
  • the actuators can be rotary or translatory, for example rotary motors or lifting cylinders.
  • a tool or a tool holder is preferably provided at an end section of the implement.
  • the work device has an operating device via which a movement request to the actuators can be detected.
  • the operating device is preferably signal-connected to a control device of the implement.
  • Movement request is an input variable in the control device of the Working device stored, at least kinematic model of the actuators.
  • the actuators are from the control device, in particular by means of a pressure medium source and a
  • Valve arrangement controllable at least as a function of an output variable of the control device, in particular of the model.
  • a detection device is provided, by means of which a kinematic state of the actuators that can be assigned or assigned to the movement requirement or output variable can be detected.
  • the working device in particular its control device, has an adaptation or
  • the control device is capable of learning according to the invention.
  • an adaptation or learning algorithm is implemented by means of the adaptation device.
  • the model has at least one state space model of the working device, in particular, one static and one dynamic each, in combination with a recursive least squares algorithm (RLS algorithm) that has an adaptive effect on the state space model or models.
  • RLS algorithm recursive least squares algorithm
  • the model has characteristic curves and / or characteristic diagrams of the implement with fixed support points, the values of which can be learned and / or adapted via an RLS algorithm.
  • the learning or adaptation algorithm is formed by at least one neural network and a deep learning method. Weights can be learned and adjusted using backpropagation. For this purpose, acquisition data from the acquisition device can preferably be stored in the control device.
  • a fourth variant of the learning or adaptation algorithm is designed as reinforcement learning (RL). This means that transfer behavior can be learned to a large extent without using the model.
  • the adaptation device can be designed in such a way that the adaptation can be carried out periodically or batch-wise, in particular after completion of a work task, or continuously.
  • the learning or adaptation algorithm is preferably stored in the adaptation device for execution.
  • control device is generic. It is preferably generic in its structure. This has the advantage that it can be adapted to configurations of the working device and / or the mobile working machine via the adapting device.
  • one or more parameters of the model can be adapted via the adaptation device, in particular as a function of the movement requirement and the detected and assigned state.
  • the adaptation device is designed in such a way that it uses it as a function of the movement requirement and the detected, assignable or
  • assigned state parameters of the model are recursively estimable.
  • the adaptation device has one for the adaptation
  • the model has a static component, in particular a static input non-linearity, a value lookup table or a characteristic field, and a dynamic component, in particular a linear state space model. Both parts are summarized in a Hammerstein model, for example.
  • the working device has a control device by means of which a deviation of the state from the movement request can be regulated.
  • a deviation of the state from the movement request can be regulated.
  • it causes an increasing improvement of the learned / adapted model / parameters, so that the deviation between the movement requirement and the actually achieved (assigned) state becomes increasingly smaller.
  • the adaptation device is after the adaptation
  • control device can also be deactivated in a further development and, in particular, can be activated if necessary.
  • a defined start-up cycle of the working device in particular standardized, is stored for execution in the control device.
  • the model in particular its parameters, can thus be adapted particularly quickly and in a manner that is easy to reproduce and analyze.
  • the work device has a hydrostatic pump and a
  • Valve arrangement for supplying pressure medium to the actuators.
  • a mobile work machine has a work device that is designed according to at least one of the aforementioned aspects of the invention.
  • the applicant reserves the right to make a patent claim or a patent application on such a machine.
  • a method for controlling a hydrostatic work device which is designed according to at least one aspect of the preceding description, has the steps of "detecting the movement request”, “determining the output variable of the control device as a function of the model”, “controlling the actuators as a function of the output variable”, “Detection of the actuator status that can be assigned or assigned to the motion request or the output variable”.
  • a step is “adapting the model or its inversion as a function of the movement requirement and / or the output variable, as well as as a function of the detected, assignable or assigned state”.
  • Another advantage of the method is that it can be applied to work equipment. It can be transferred to work equipment from any supplier with the advantages already mentioned.
  • the step of adapting in particular by means of the learning or adapting device, can take place in the course of commissioning, a revision or in a working operation of the work device. It can take place periodically or batchwise or continuously, in particular it can be stored in the adaptation device for periodic, batchwise or continuous execution.
  • the adapt step is carried out in particular by adapting parameters of the model.
  • the method has a step “correcting a deviation of the state reached as a function of the movement request from the assigned movement request”. This is preferably done via the aforementioned
  • This step / the control device thus brings about an increasing improvement in the learned / adapted parameters and the discrepancy between the movement requirement and the assigned state becomes increasingly smaller.
  • the step of regulating, in particular the control device can be largely or completely dispensed with. This enables faster movements of the working device and high positioning accuracy.
  • Figure 1 is a logic circuit diagram of a working device according to the invention.
  • FIG. 2 the working device according to FIG. 1 in a working operation, following the adaptation operation
  • FIG. 3 shows a logic circuit diagram of a working device according to the invention in
  • FIG. 4 shows the implement according to FIG. 3 in a working operation, following the
  • a hydrostatic working device 1 has a hydrostatic-mechanical unit 2, consisting of hydrostatic equipment 4 and mechanical
  • kinematic elements 6 a control device 8 (ECU), and a
  • Operator interface 10 such as a joystick (Human Machine Interface, HMI).
  • the hydrostatic equipment 4 has components for supplying pressure medium, such as, for example, a hydrostatic pump, valve arrangement or a valve block, which are shown in the form of blocks according to FIG. 1.
  • a hydrostatic pump for example, a hydrostatic pump, valve arrangement or a valve block, which are shown in the form of blocks according to FIG. 1.
  • Elements 6 have the hydrostatic actuators, such as rotary motors or lifting cylinders. These are also shown in accordance with FIG. 1 in the form of blocks. Furthermore, the hydrostatic-mechanical unit 2 has a detection device 12 by means of which at least positions and speeds and possibly accelerations of the mechanical-kinematic elements 6 can be detected. The detection by means of the detection device 12 can (in addition also) relate to the components of the hydrostatic equipment 4.
  • the operator interface 10 is connected to an interpretation device 14 for interpreting an operator request with regard to the movement of the work device 1.
  • the interpretation device 14 is connected to a model of inverse kinematics 16 of the mechanical-kinematic elements 6. Kinematics parameters, symbolized by the comparatively thick arrow, enter the kinematics 16.
  • a learning or adaptation device 18 with a corresponding learning or adaptation algorithm is also stored for execution.
  • the control device 8 also has a gray box pre-control 20, a control device 22 and a signal processing device 27.
  • An output of the inverse kinematics 16 is connected to an input of the gray box pilot control 20.
  • An output of the adaptation device 18 is connected to an input of the gray box pilot control 20.
  • the output of the inverse kinematics 16 is connected to an input of the control device 22 by means of an operator 26.
  • An output of the control device 22 is connected to the output of the gray box precontrol by means of an operator 24.
  • An output of the operator 24 is connected to the hydrostatic equipment 4 for controlling it, as well as to the adaptation device 18.
  • the hydrostatic equipment 4 is connected to the mechanical-kinematic elements 6 by pressure medium.
  • the detection device 12 is connected to a signal processing device 27. Its output is connected to the output of the inverse kinematics 16 by means of the operator 26, an output of the operator 26 being connected to an input of the control device 22.
  • the output of the signal processing device 27 is also connected to the inverse kinematics 16.
  • kinematics parameters of the mechanical-kinematic elements 6 or the hydrostatic actuators of the working device 1 are included in the inverse kinematics 16.
  • the joystick 10 is deflected by the operator.
  • the interpretation device 14 interprets this as a driver's request and delivers a signal to the inverse kinematics 16.
  • the inverse kinematics 16 outputs an output signal to the gray box precontrol 20. In a first run, this generates a signal to the hydrostatic equipment 4, in particular to the pumps and valves, so that the actuators of the mechanical-kinematic elements 6 are supplied with pressure medium and moved.
  • the detection device 12 detects this
  • Movement / positions / changes in position which is / are assigned to the original movement request and forwards them to the signal processing device 27.
  • the detected positions, speeds and possibly accelerations are sent from the signal processing device 27 to the operator 26 and thus to the
  • Control device 22 passed on. For the final adjustment of the deviation of the recorded position, speed, acceleration from the original and
  • the output signal of the control device 22 is sent to the operator 24 and again to the hydrostatic equipment 4 until the deviation is below a specified threshold.
  • Adaptation device 18 and the inverse kinematics 16. In the learning or
  • the adaptation device 18 intervenes in the gray box precontrol 20 and thus changes its output signal to the operator 24.
  • FIG. 2 shows the same hydrostatic working device 1 after the end of the learning or adaptation operation.
  • the adaptation device 18 is accordingly deactivated and no longer has access to the gray box pilot control 20 (arrow crossed through).
  • the control device 22 is deactivated (dashed illustration), or no longer has to intervene, since the gray box precontrol 20, in particular a model stored therein, is optimized by the previous intervention of the adaptation device 18 in such a way that none or at least none is sufficiently large Deviation of the
  • FIGS. 3 and 4 show a second exemplary embodiment of a hydrostatic working device 101, in each case in the learning or adaptation mode (FIG. 3) and in normal working mode (FIG. 4). The features of the control device 8 and 8 are shown in more detail
  • Adaptation device 18 As a model of the working device 101, they have a Hammerstein model with a static input non-linearity 28 (characteristic field), and thus connected in series, a linear, dynamic state space model 30. In addition, the
  • Control device 8, or adaptation device 18 has an executable method of least squares 32.
  • the operator interface 10 is connected to the inputs of the devices 4, 28 and 32.
  • the movement request y des is sent to this in the form of the deflection of the joystick 10. This leads to a changed pressure medium supply on the hydrostatic equipment 4 and to a movement, speed and acceleration on the mechanical-kinematic elements 6 (hydrostatic actuators) that are determined by the detection device 12 is captured.
  • the actual, the motion request y of the associated state y act of the actuators (6) is returned to the device 32.
  • the fact stored for executing the method of least squares compares the current state y act with the original motion request y of and fits in the map 28 and in the dynamic
  • State space model 30 parameters, for example parameters A, B, C.
  • the output of the adapter 18 is then a predicted movement y pred .
  • the operation of the device 32 continues until a termination condition is reached, which is formulated as a function of the reached, assigned state y act and the predicted movement y pred .
  • Figure 4 shows the hydrostatic working device 101 canceled, that is, after completion of the learning or adaptation operation according to Figure 3. Then, as shown in FIG 4 the feedback of the reached, the associated state y act on the adjusting means 18 is interrupted. The movement request y of the operator interface 10 is then in turn entered into the models 28, 30 and only a control signal Drv Dmd is sent to the hydrostatic equipment 4, from which the corresponding pressure medium supply to the mechanical
  • Movement requirement y of and that of movement requirement y of the assigned, reached state y act is so low due to the learning or adaptation phase carried out and the adapted parameters A, B, C that there is a need for regulation and others Adjustment can be dispensed with. There is therefore only a pure control mode with the advantages mentioned above.
  • a hydrostatic work device with a learning and adaptation device via which a particularly kinematic-hydraulic model stored in a control device for controlling the work device can be adapted or optimized so that a discrepancy between a detected state of the work device and a movement requirement assigned to the state is small , is negligible, or zero.
  • a method for controlling the implement with one step is also disclosed
  • Adapting or optimizing the model by means of the adapting device in such a way that a deviation of the detected state of the work device from the movement requirement assigned to the state is small, negligible or zero.
  • a deviation of the detected state of the work device from the movement requirement assigned to the state is small, negligible or zero.

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatisches Arbeitsgerät für eine mobile Arbeitsmaschine, mit hydrostatischen Aktoren und einer Bedieneinrichtung, über die eine Bewegungsanforderung an die Aktoren erfassbar ist, welche eine Eingangsgröße eines in einer Steuereinrichtung abgelegten kinematischen Modells der Aktoren ist, wobei die Aktoren in Abhängigkeit einer Ausgangsgröße der Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei eine Erfassungseinrichtung, über die ein der Bewegungsanforderung oder Ausgangsgröße zuordenbarer oder zugeordneter kinematischer Zustand der Aktoren erfassbar ist, vorgesehen ist. Weiterhin ist offenbart ein Verfahren zur Steuerung des Arbeitsgerätes.

Description

Hydrostatisches Arbeitsgerät und Verfahren zu dessen Steuerung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Arbeitsgerät gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung gemäß dem Patentanspruch 8.
Ein gattungsgemäßes Arbeitsgerät weist eine Vielzahl von rotatorischen und/oder translatorischen Freiheitsgraden auf. Das Arbeitsgerät besteht dabei aus einer Kette hydrostatischer Aktoren.
Wichtig ist, dass die Steuerung des Arbeitsgerätes sicher und für den Bediener komfortabel ist. So muss das Arbeitsgerätes während seines Bewegungsumfangs kollisionsfrei mit der Arbeitsmaschine und seiner Umgebung arbeiten. Des Weiteren sollte das an der Spitze des Arbeitsgerätes angeordnete Werkzeug zielsicher und komfortabel in allen drei Koordinaten steuerbar sein. Die Steuerung sollte selbst für ungeübte Bediener - wie beispielsweise einen Fahrer der mobilen Arbeitsmaschine - mit hoher Dynamik und Positioniergenauigkeit möglich sein.
Bisher bekannte Lösungen nutzen zum Erfüllen dieser Anforderungen eine Verbindung aus modellbasierter Vorsteuerung, messtechnischen Einrichtungen zur Erfassung der Bewegung des Arbeitsgerätes und einer Regelung. Dabei ist wesentlich, das damit verbundenes inverse Kinematikproblem zu lösen. Sämtliche bekannten Verfahren gehen dazu von der exakten Kenntnis des hydraulisch-mechanischen Systems der Aktoren aus, so dass mittels einer Modellinversion die erforderliche Genauigkeit bereits in einem Vorsteuerpfad abgebildet werden kann und in Verbindung mit einer nachgelagerten Regelung die erforderliche Positioniergüte bei ausreichend hoher Dynamik erreicht werden kann. Allerdings ist die genaue Kenntnis des Systemverhaltens in der Praxis nur schwierig umzusetzen, weshalb selbst bei Kenntnis der verbauten Komponenten ein hoher
Applikationsaufwand bei Inbetriebnahme erforderlich ist. Die Anforderungen hohe Dynamik und Positioniergenauigkeit sind nur mit großem zeitlichen Aufwand und genauem
Systemverständnis erfüllbar. Besonders aufwendig erweist sich diese Vorgehensweise natürlich für die Inbetriebnahme und den Betrieb von Systemen mit unbekannten
hydraulischen Komponenten.
Hinzu kommt, dass es durch Alterungseffekte der hydraulischen Komponenten im Laufe der Lebensdauer des Arbeitsgerätes zu einer Verschlechterung des Verhaltens kommen kann. Durch Abweichungen zwischen realem System und dem in der Vorsteuerung abgebildeten Modell des Systems kann es zu einer Verschlechterung der Positioniergenauigkeit. Auch das Schwingen des Arbeitsgeräts kann angeregt werden, da die auftretenden Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Verhalten vom Regler im geschlossenen Kreis kompensiert werden müssen.
Typischerweise erfolgt die Steuerung mobiler Arbeitsmaschinen mit komplexer
Arbeitskinematik durch Interpretation der Joystick-Signale als Geschwindigkeitswunsch an die einzelnen Verbraucher (beispielsweise Ausleger, Stiel, Löffel). Dieses bewährte
Steuerungskonzept erweist sich jedoch insbesondere bei ungeübten Fahrern oder Aufgaben mit hoher Anforderung an die Positioniergenauigkeit der Arbeitsausrüstung als schwierig. Abhilfe schaffen Assistenzfunktionen, die eine Interpretation der HMI-Signale als
Geschwindigkeitswunsch der Arbeitsgerätspitze im x-y-z Koordinatensystem ermöglichen, die sogenannte TCP- oder Koordinatensteuerung. Derartige Assistenzfunktionen nutzen ein Modell der Kinematik der Aktoren, um die für eine vom Fahrer gewünschte
Bewegungsanforderung erforderlichen Gelenkgeschwindigkeiten zu berechnen.
Voraussetzung für eine derartige Assistenzfunktion ist generell die Erfassung der
Gelenkwinkel und generell der Kinematik- Konfiguration, insbesondere über Winkelsensoren, Zylinderhub-Sensoren oder eine Inertialsensorik. Zur Realisierung der von der
Assistenzfunktion angeforderten Gelenkgeschwindigkeiten ist eine entsprechende
Geschwindigkeit an den jeweils beteiligten, einzelnen Aktoren erforderlich. Bekannte Lösungen nutzen ein inverses Modell des Ansteuerpfades von der Joystick-Auslenkung bis zur Ansteuerung der Pumpen und der Ventile in Verbindung mit einer Regelung, um die angeforderten Bewegungen möglichst exakt umzusetzen. Die Regelung ist erforderlich, um Fehler im Modell der Vorsteuerung, beispielsweise durch Parameterabweichungen, sowie Störgrößen, beispielsweise schweres Material mit entsprechendem Widerstand am
Grabgerät, auszuregeln. Insbesondere hochdynamische Bewegungen (beispielsweise schnelles Planieren in der Ebene oder an einer Böschung) setzen eine hohe Qualität der Vorsteuerung voraus, da die Dynamik der Regelung begrenzt ist. Die Verwendung einer möglichst genauen Vorsteuerung beruht bei bekannten Lösungen auf einer Modellierung der Ansteuerkette und entsprechender Kenntnis der Systemparameter, wie beispielsweise der Ventilblock- und Pumpendynamik, der Leitungsverluste und des Dieselmotorverhaltens. Dies führt - wie bereits erwähnt - zu erheblichem Aufwand bei der Inbetriebnahme, selbst bei bekannten Hydraulikkomponenten. Bei der Verwendung von nicht bekannten Komponenten kann bislang keine hohe Genauigkeit im Vorsteuerpfad erreicht werden. Dies verschlechtert die mit der Assistenzfunktion erreichbare Positioniergenauigkeit erheblich oder macht eine solche Funktion gänzlich unbrauchbar.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicherer steuerbares hydrostatisches Arbeitsgerät, sowie ein Verfahren zur prozesssichereren Steuerung des Arbeitsgerätes zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein hydrostatisches Arbeitsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweils abhängigen
Patentansprüchen beschrieben.
Ein hydrostatisches Arbeitsgerät für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere für einen Bagger, Raupenbagger, Mobilbagger, Minibagger, Backhoe-Loader oder eine Betonpumpe oder Forstmaschine, hat - insbesondere kinematisch gekoppelte - hydrostatische Aktoren. Die Aktoren können rotatorisch oder translatorisch, beispielsweise Drehmotore oder Hubzylinder sein. An einem Endabschnitt des Arbeitsgerätes ist vorzugsweise ein Werkzeug oder eine Werkzeugaufnahme vorgesehen. Das Arbeitsgerät hat eine Bedieneinrichtung, über die eine Bewegungsanforderung an die Aktoren erfassbar ist. Die Bedieneinrichtung ist vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung des Arbeitsgerätes signalverbunden. Die
Bewegungsanforderung ist eine Eingangsgröße eines in der Steuereinrichtung des Arbeitsgeräts abgelegten, zumindest kinematischen Modells der Aktoren. Die Aktoren sind von der Steuereinrichtung, insbesondere mittels einer Druckmittelquelle und eine
Ventilanordnung, zumindest in Abhängigkeit einer Ausgangsgröße der Steuereinrichtung, insbesondere des Modells, ansteuerbar. Zudem ist eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, über die ein der Bewegungsanforderung oder Ausgangsgröße zuordenbarer oder zugeordneter kinematischer Zustand der Aktoren erfassbar ist. Erfindungsgemäß hat das Arbeitsgerät, insbesondere dessen Steuereinrichtung, eine Anpassungs- oder
Lerneinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass über sie das Modell oder dessen Inversion, also das invertierte Modell, zumindest in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung und/oder der Ausgangsgröße, sowie des erfassten, zuordenbaren oder zugeordneten Zustands anpassbar ist. Dadurch ist die Steuereinrichtung erfindungsgemäß lernfähig. In anderen Worten ist ein Anpassungs- oder Lernalgorithmus mittels der Anpassungseinrichtung implementiert.
Es resultiert ein reduzierter Entwicklungs- und Inbetriebnahme-Aufwand für das Arbeitsgerät, da das Modell zur Steuerung vom Arbeitsgerät (der Anpassungseinrichtung) selbständig anpassbar ist. Es ist dann keine Voraussetzung mehr, genaue Kenntnis des hydraulisch mechanischen Verhalten des Arbeitsgerätes und der Aktoren zu haben, um die Anforderung an hohe Dynamik und Positioniergenauigkeit erfüllen zu können. Nach Abschluss eines Lern- oder Anpassungsbetriebes kann auf eine Regeleinrichtung verzichtet oder weitgehend verzichtet werden und die Anforderung aufgrund der Güte des (angepassten) Modells allein oder nahezu allein durch Steuerung erfüllt werden. Insbesondere die hydraulischen
Komponenten, wie Pumpen oder Ventile, genauer gesagt deren Verhalten, müssen zur Applikation der Steuereinrichtung nicht mehr a priori bekannt sein. Eine Inbetriebnahme ist selbst ohne genaue Kenntnis des Arbeitsgerätes und seiner Aktoren, Pumpen, Ventile mit verringertem Zeitaufwand und dennoch erfüllter Anforderung möglich. Sollten innerhalb der Lebensdauer Alterungseffekte, beispielsweise durch Verschleiß der Aktoren oder durch andere Prozesse auftreten, so kann diese Abweichung zwischen Realität und Modell mittels der Anpassungs- oder Lerneinrichtung durch erfindungsgemäßes Anpassen des Modells kompensiert werden.
Unterschiedliche Ausprägungen der Anpassungseinrichtung, insbesondere eines darin zur Ausführung abgelegten Lern- oder Anpassungsalgorithmus, sind möglich. In einer ersten Variante weist das Modell wenigstens ein Zustandsraummodell des Arbeitsgerätes, insbesondere je ein statisches und ein dynamisches, in Kombination mit einem auf das oder die Zustandsraummodelle anpassend einwirkenden, rekursiven Algorithmus kleinster Fehlerquadrate (RLS-Algorithmus) auf. In einer zweiten Variante weist das Modell Kennlinien und/oder Kennfelder des Arbeitsgerätes mit festen Stützstellen auf, deren Werte über einen RLS-Algorithmus erlernbar und/oder anpassbar sind. In einer dritten Variante ist der Lern oder Anpassungsalgorithmus von wenigstens einem neuronalen Netz und einer Deep- Learning-Methode gebildet. Gewichte sind dabei mittels einer Backpropagation erlern- und anpassbar. Hierzu sind vorzugsweise Erfassungsdaten der Erfassungseinrichtung in der Steuereinrichtung speicherbar. Eine vierte Variante des Lern- oder Anpassungsalgorithmus ist als Reinforcement Learning (RL) ausgebildet. Dadurch ist ein Übertragungsverhalten in weitem Umfang ohne Nutzung des Modells erlernbar.
Die Anpassungseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass das Anpassen periodisch oder batchweise, insbesondere nach Beendigung einer Arbeitsaufgabe, oder kontinuierlich ausführbar ist.
Vorzugsweise ist der Lern- oder Anpassungsalgorithmus in der Anpassungseinrichtung zur Ausführung abgelegt.
In einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung generisch. Vorzugsweis ist sie in ihrer Struktur generisch. Das hat den Vorteil, dass sie über die Anpassungseinrichtung an Ausprägungen des Arbeitsgerätes und/oder der mobilen Arbeitsmaschine anpassbar ist.
In einer Weiterbildung ist/sind über die Anpassungseinrichtung ein oder mehrere Parameter des Modells, insbesondere in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung und des erfassten und zugeordneten Zustands, anpassbar.
In einer Weiterbildung ist die Anpassungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass über sie in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung und des erfassten, zuordenbaren oder
zugeordneten Zustands Parameter des Modells rekursiv schätzbar sind.
In einer Weiterbildung weist die Anpassungseinrichtung für die Anpassung eine
Abbruchbedingung in Abhängigkeit eines vom Modell vorhergesagten Zustands und des erfassten Zustands auf. In einer Weiterbildung hat das Modell einen statischen Anteil, insbesondere eine statische Eingangs-Nichtlinearität, ein Value Lookup table oder ein Kennfeld, und einen dynamischen Anteil, insbesondere ein lineares Zustandsraummodell. Beide Anteile sind beispielsweise in einem Hammerstein-Modell zusammengefasst.
In einer Weiterbildung hat das Arbeitsgerät eine Regeleinrichtung, über die eine Abweichung des Zustands von der Bewegungsanforderung ausregelbar ist. Sie bewirkt während der Anpassung eine zunehmende Verbesserung des erlernten/angepassten Modells/der Parameter, sodass die Abweichung zwischen Bewegungsanforderung und tatsächlich erreichtem (zugeordnetem) Zustand zunehmend geringer wird.
In einer Weiterbildung ist die Anpassungseinrichtung nach erfolgter Anpassung,
insbesondere nach Erreichen der Abbruchbedingung, deaktivierbar, und insbesondere bei Bedarf aktivierbar.
Auch die Regeleinrichtung ist nach erfolgter Anpassung in einer Weiterbildung deaktivierbar und insbesondere bei Bedarf aktivierbar ausgestaltet.
In einer Weiterbildung ist in der Steuereinrichtung ein definierter Inbetriebnahme-Zyklus des Arbeitsgerätes, insbesondere standardisiert, zur Ausführung abgelegt. So kann eine Anpassung des Modells, insbesondere von dessen Parametern, besonders schnell und gut reproduzier- und analysierbar erfolgen.
In einer Weiterbildung hat das Arbeitsgerät eine hydrostatische Pumpe und eine
Ventilanordnung zur Druckmittelversorgung der Aktoren.
Eine mobile Arbeitsmaschine hat ein Arbeitsgerät, das gemäß wenigstens einem der vorgenannten erfindungsgemäßen Aspekte ausgestaltet ist. Die Anmelderin behält sich vor, einen Patentanspruch oder eine Patentanmeldung auf eine solche Arbeitsmaschine zu richten.
Ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Arbeitsgerätes, das gemäß wenigstens einem Aspekt der vorrangegangenen Beschreibung ausgestaltet ist, hat Schritte„Erfassen der Bewegungsanforderung“,„Ermitteln der Ausgangsgröße der Steuereinrichtung in Abhängigkeit des Modells“,„Ansteuern der Aktoren in Abhängigkeit der Ausgangsgröße“, „Erfassen des der Bewegungsanforderung oder der Ausgangsgröße zuordenbaren oder zugeordneten Zustands der Aktoren“. Erfindungsgemäß ist ein Schritt„An passen des Modells oder dessen Inversion in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung und/oder der Ausgangsgröße, sowie in Abhängigkeit des erfassten, zuordenbaren oder zugeordneten Zustands“.
Dieses Verfahren weist die bereits im Zuge der Beschreibung des Arbeitsgerätes genannten Vorteile auf, sodass auf deren Wiederholung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Darüber hinaus ist ein Vorteil des Verfahrens, dass es auf Arbeitsgeräte übertragbar ist. Es kann auf Arbeitsgeräte beliebiger Anbieter mit den bereits genannten Vorteilen übertragen werden.
Der Schritt Anpassen, insbesondere mittels der Lern- oder Anpassungseinrichtung, kann im Zuge einer Inbetriebnahme, einer Revision oder in einem Arbeitsbetrieb des Arbeitsgerätes erfolgen. Es kann periodisch oder batchmäßig oder kontinuierlich erfolgen, insbesondere zur periodischen, batchmäßigen oder kontinuierlichen Ausführung in der Anpassungseinrichtung abgelegt sein. Der Schritt Anpassen erfolgt insbesondere durch Anpassen von Parametern des Modells.
In einer Weiterbildung erfolgt zunächst ein Schritt„Erlernen der Parameter“.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt„Ausregeln einer Abweichung des in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung erreichten Zustands von der zugeordneten Bewegungsanforderung“ auf. Dies erfolgt vorzugsweise über die zuvor genannte
Regeleinrichtung.
Dieser Schritt / die Regeleinrichtung bewirkt so eine zunehmende Verbesserung der erlernten/angepassten Parameter und die Abweichung zwischen Bewegungsanforderung und zugeordnetem Zustand wird zunehmend geringer.
Nach Abschluss einer Lern- oder Anpassungsphase kann auf den Schritt Ausregeln, insbesondere auf die Regeleinrichtung, weitgehend oder vollständig verzichtet werden. Dies ermöglicht schnellere Bewegungen des Arbeitsgerätes und die hohe Positioniergenauigkeit. In einer Weiterbildung des Verfahrens sind die zuvor genannten Schritte, oder eine
Minderzahl davon, als Inbetriebnahme-Zyklus, insbesondere standardisiert,
zusammengefasst. So kann eine Anpassung des Modells, insbesondere von dessen
Parametern, besonders schnell und gut reproduzier- und analysierbar erfolgen.
Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Arbeitsgerätes sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand den Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen logischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes im
Anpassungsbetrieb, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 das Arbeitsgerät gemäß Figur 1 in einem Arbeitsbetrieb, im Anschluss an den Anpassungsbetrieb,
Figur 3 einen logischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Arbeitsgerätes im
Anpassungsbetrieb, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Figur 4 das Arbeitsgerät gemäß Figur 3 in einem Arbeitsbetrieb, im Anschluss an den
Anpassungsbetrieb.
Gemäß Figur 1 hat ein hydrostatisches Arbeitsgerät 1 eine hydrostatisch-mechanische Einheit 2, bestehend aus einer hydrostatischen Ausrüstung 4 und mechanisch
kinematischen Elementen 6, eine Steuereinrichtung 8 (ECU), sowie eine
Bedienerschnittstelle 10, wie beispielsweise einen Joystick (Human Machine Interface, HMI).
Die hydrostatische Ausrüstung 4 weist Komponenten zur Druckmittelversorgung, wie beispielsweise eine hydrostatische Pumpe, Ventilanordnung oder einen Ventilblock auf, die gemäß Figur 1 in Form von Blöcken dargestellt sind. Die mechanisch-kinematischen
Elemente 6 weisen die hydrostatischen Aktoren, wie beispielsweise Drehmotore oder Hubzylinder auf. Auch diese sind gemäß Figur 1 in Form von Blöcken dargestellt. Weiterhin weist die hydrostatisch-mechanische Einheit 2 eine Erfassungseinrichtung 12 auf, über die zumindest Positionen und Geschwindigkeiten und gegebenenfalls Beschleunigungen der mechanisch-kinematischen Elemente 6 erfassbar sind. Die Erfassung mittels der Erfassungseinrichtung 12 kann (zusätzlich auch) die Komponenten der hydrostatischen Ausrüstung 4 betreffen.
Die Bedienerschnittstelle 10 ist mit einer Interpretationseinrichtung 14 zur Interpretation eines Bedienerwunsches bezüglich der Bewegung des Arbeitsgerätes 1 verbunden. Die Interpretationseinrichtung 14 ist mit einem Modell einer inversen Kinematik 16 der mechanisch-kinematischen Elemente 6 verbunden. In die Kinematik 16 gehen Kinematik- Parameter, symbolisiert durch den vergleichsweise dicken Pfeil, ein.
In der Steuereinrichtung 8 ist zudem eine Lern- oder Anpassungseinrichtung 18 mit entsprechendem Lern- oder Anpassungs-Algorithmus zur Ausführung abgelegt. Des
Weiteren hat die Steuereinrichtung 8eine Grey-Box-Vorsteuerung 20, eine Regeleinrichtung 22, sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung 27.
Ein Ausgang der inversen Kinematik 16 ist mit einem Eingang der Grey-Box-Vorsteuerung 20 verbunden. Ein Ausgang der Anpassungseinrichtung 18 ist mit einem Eingang der Grey- Box-Vorsteuerung 20 verbunden. Der Ausgang der inversen Kinematik 16 ist mittels eines Operators 26 mit einem Eingang der Regeleinrichtung 22 verbunden. Ein Ausgang der Regeleinrichtung 22 ist mit dem Ausgang der Grey-Box-Vorsteuerung mittels einem Operator 24 verbunden. Ein Ausgang des Operators 24 ist mit der hydrostatischen Ausrüstung 4 zu deren Ansteuerung, sowie mit der Anpassungseinrichtung 18 verbunden.
Die hydrostatische Ausrüstung 4 ist mit den mechanisch-kinematischen Elementen 6 druckmittelverbunden.
Die Erfassungseinrichtung 12 ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 27 verbunden. Deren Ausgang ist mittels dem Operator 26 mit dem Ausgang der inversen Kinematik 16 verbunden, wobei ein Ausgang des Operators 26 mit einem Eingang der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Der Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung 27 ist des Weiteren mit der inversen Kinematik 16 verbunden.
In die inverse Kinematik 16 gehen - wie bereits erwähnt - Kinematik- Parameter der mechanisch-kinematischen Elemente 6, beziehungsweise der hydrostatischen Aktoren des Arbeitsgerätes 1, ein. Im Lern- oder Anpassungsbetrieb gemäß Figur 1 erfolgt eine Auslenkung des Joysticks 10 durch den Bediener. Die Interpretationseinrichtung 14 interpretiert diese als Fahrerwunsch und liefert ein Signal an die inverse Kinematik 16. In Abhängigkeit der interpretierten Bewegungsanforderung/des interpretierten Fahrerwunsches gibt die inverse Kinematik 16 ein Ausgangsignal an die Grey- Box- Vorsteuerung 20 aus. In einem ersten Durchlauf erzeugt diese ein Signal an die hydrostatische Ausrüstung 4, insbesondere an die Pumpen und Ventile, so dass die Aktoren der mechanisch-kinematischen Elemente 6 mit Druckmittel versorgt und bewegt werden. Die Erfassungseinrichtung 12 erfasst diese
Bewegung/Positionen/Positionsänderungen, die der ursprünglichen Bewegungsanforderung zugeordnet ist/sind, und leitet sie an die Signalverarbeitungseinrichtung 27 weiter. Die erfassten Positionen, Geschwindigkeiten und gegebenenfalls Beschleunigungen werden so von der Signalverarbeitungseinrichtung 27 an den Operator 26 und damit an die
Regeleinrichtung 22 weitergegeben. Zur schlussendlichen Ausregelung der Abweichung der erfassten Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung von der ursprünglichen und
zugeordneten Bewegungsanforderung ergeht das Ausgangssignal der Regeleinrichtung 22 an den Operator 24 und wieder an die hydrostatische Ausrüstung 4, bis die Abweichung unter einer bestimmungsgemäßen Schwelle liegt.
Gleichzeitig geht das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinrichtung 27 in die
Anpassungseinrichtung 18 und die inverse Kinematik 16 ein. Im Lern- oder
Anpassungsbetrieb erfolgt ein Eingriff der Anpassungseinrichtung 18 auf die Grey-Box- Vorsteuerung 20 und verändert damit deren Ausgangssignal an den Operator 24.
Figur 2 zeigt das gleiche hydrostatische Arbeitsgerät 1 nach Beendigung des Lern- oder Anpassungsbetriebes. Die Anpassungseinrichtung 18 ist demgemäß deaktiviert und hat keinen Zugriff mehr auf die Grey- Box- Vorsteuerung 20 (durchgestrichener Pfeil). Ebenso ist die Regeleinrichtung 22 deaktiviert (gestrichelte Darstellung), beziehungsweise muss nicht mehr eingreifen, da die Grey-Box-Vorsteuerung 20, insbesondere ein darin abgelegtes Modell, durch den vorangegangenen Eingriff der Anpassungseinrichtung 18 derart optimiert ist, dass keine oder zumindest keine ausreichend große Abweichung des von der
Erfassungseinrichtung 12 erfassten Zustandes yact der mechanisch-kinematischen Elemente 6 von der ursprünglichen, zugeordneten Bewegungsanforderung ydes mehr besteht. Figur 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Arbeitsgerätes 101 jeweils im Lern- oder Anpassungsbetrieb (Figur 3) und im normalen Arbeitsbetrieb (Figur 4). Genauer dargestellt sind die Merkmale der Steuereinrichtung 8 und
Anpassungseinrichtung 18. Sie weisen als Modell des Arbeitsgerätes 101 ein Hammerstein- Modell mit einer statischen Eingangsnichtlinearität 28 (Kennfeld), und damit in Reihe geschaltet, ein lineares, dynamisches Zustandsraummodell 30 auf. Zudem weist die
Steuereinrichtung 8, beziehungsweise die Anpassungseinrichtung 18, eine ausführbare Methode der kleinsten Fehlerquadrate 32 auf. Im Lern- oder Anpassungsbetrieb ist die Bedienerschnittstelle 10 mit den Eingängen der Einrichtungen 4, 28 und 32 verbunden. An diese ergeht die Bewegungsanforderung ydes in Form der Auslenkung des Joysticks 10. Dies führt an der hydrostatischen Ausrüstung 4 zur veränderten Druckmittelversorgung und an den mechanisch-kinematischen Elementen 6 (hydrostatischen Aktoren) zu einer Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, die von der Erfassungseinrichtung 12 erfasst wird.
Der tatsächliche, der Bewegungsanforderung ydes zugeordnete Zustand yact der Aktoren (6) wird rückgemeldet an die Einrichtung 32. Die darin zur Ausführung abgelegte Methode der kleinsten Fehlerquadrate vergleicht den aktuellen Zustand yact mit der ursprünglichen Bewegungsanforderung ydes und passt in dem Kennfeld 28 und im dynamischen
Zustandsraummodell 30 Parameter, beispielsweise die Parameter A, B, C an. Die Ausgabe der Anpassungseinrichtung 18 ist dann eine vorhergesagte Bewegung ypred. Das Wirken der Einrichtung 32 erfolgt solange, bis eine Abbruchbedingung erreicht ist, die in Abhängigkeit des erreichten, zugeordneten Zustands yact und der vorhergesagten Bewegung ypred formuliert ist.
Figur 4 zeigt das hydrostatische Arbeitsgerät 101 nach Abbruch, also nach Beendigung des Lern- oder Anpassungsbetriebs gemäß Figur 3. Dann ist gemäß Figur 4 die Rückkopplung des erreichten, zugeordneten Zustandes yact an die Anpassungseinrichtung 18 unterbrochen. Die Bewegungsanforderung ydes der Bedienerschnittstelle 10 geht dann wiederum in die Modelle 28, 30 ein und es erfolgt lediglich ein Steuersignal Drv Dmd an die hydrostatische Ausrüstung 4 woraus die entsprechende Druckmittelversorgung der mechanisch
kinematischen Elemente 6 (Aktoren) resultiert. Eine Abweichung zwischen der
Bewegungsanforderung ydes und dem der Bewegungsanforderung ydes zugeordneten, erreichten Zustand yact ist aufgrund der durchgeführten Lern- oder Anpassungsphase und der angepassten Parameter A, B, C so gering, dass auf eine Regelung und weitere Anpassung verzichtet werden kann. Es besteht somit nur noch ein reiner Steuerungsbetrieb mit den oben genannten Vorteilen.
Offenbart ist ein hydrostatisches Arbeitsgerät mit einer Lern- und Anpassungseinrichtung, über die ein in einer Steuereinrichtung abgelegtes, insbesondere kinematisch-hydraulisches, Modell zur Steuerung des Arbeitsgerätes anpassbar oder optimierbar ist, sodass eine Abweichung eines erfassten Zustands des Arbeitsgerätes von einer dem Zustand zugeordneten Bewegungsanforderung gering, vernachlässigbar oder null ist. Offenbart ist weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Arbeitsgerätes mit einem Schritt
Anpassen oder Optimieren des Modells mittels der Anpassungseinrichtung derart, dass eine Abweichung des erfassten Zustands des Arbeitsgerätes von der dem Zustand zugeordneten Bewegungsanforderung gering, vernachlässigbar oder null ist. Insbesondere ist das
Verfahren in der Anpassungseinrichtung zur Ausführung abgelegt.

Claims

Patentansprüche
1. Hydrostatisches Arbeitsgerät für eine mobile Arbeitsmaschine, mit hydrostatischen
Aktoren (6) und einer Bedieneinrichtung (10), über die eine Bewegungsanforderung (ydes) an die Aktoren (6) erfassbar ist, die eine Eingangsgröße eines in einer Steuereinrichtung (8) abgelegten kinematischen Modells (16, 28, 30) der Aktoren (6) ist, wobei die Aktoren (6) in Abhängigkeit einer Ausgangsgröße der
Steuereinrichtung (8) ansteuerbar sind, und mit einer Erfassungseinrichtung (12), über die ein der Bewegungsanforderung (ydes) oder Ausgangsgröße zuordenbarer oder zugeordneter kinematischer Zustand (yact) der Aktoren (6) erfassbar ist, gekennzeichnet durch eine Anpassungseinrichtung (18, 32), die derart ausgestaltet ist, dass über sie das Modell (16, 28, 30) oder dessen Inversion zumindest in Abhängigkeit der Bewegungsanforderung (ydes) und des erfassten, zugeordneten Zustands (yact) anpassbar ist.
2. Arbeitsgerät nach Anspruch 1, wobei die Anpassungseinrichtung (18, 32) derart ausgestaltet ist, dass über sie Parameter (A, B, C) des Modells (28, 30) anpassbar sind.
3. Arbeitsgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anpassungseinrichtung (18, 32) derart ausgestaltet ist, dass über sie Parameter (A, B, C) des Modells (28, 30) rekursiv schätzbar sind.
4. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Anpassungseinrichtung (18, 32) für die Anpassung eine Abbruchbedingung in Abhängigkeit eines vom Modell vorhergesagten Zustands (y red) und des erfassten Zustands (yact) hat.
5. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell (28, 30) einen statischen Anteil (28) und einen dynamischen Anteil (30) hat.
6. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Regeleinrichtung
(22), über die eine Abweichung des erfassten Zustands (yact) von der
Bewegungsanforderung (ydes) ausregelbar ist.
7. Arbeitsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der
Steuereinrichtung (8) das Modell (16, 28, 30) invertiert abgelegt ist.
8. Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Arbeitsgerätes (1, 101), das gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, mit Schritten
Erfassen der Bewegungsanforderung (ydes),
Ermitteln der Ausgangsgröße in Abhängigkeit des Modells (16, 28, 30), Ansteuern der Aktoren (6) mit der Ausgangsgröße,
- Erfassen des der Bewegungsanforderung (ydes) zugeordneten Zustands
(yact) der Aktoren (6), gekennzeichnet durch einen Schritt
Anpassen des Modells (16, 28, 30), oder dessen Inversion, in
Abhängigkeit der Bewegungsanforderung (ydes) und des erfassten, zugeordneten Zustands (yact).
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