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Dokumentenidentifikation DE60208608T2 17.08.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001278109
Titel Abgestimmtes offenes Regelkreisverfahren, das in ein geschlossenes Regelkreisverfahren umgeschaltet wird, für schnelle Punkt-zu-Punkt-Bewegungen in einer periodischen Bewegungsregeleinrichtung
Anmelder ITT Manufacturing Enterprises, Inc., Wilmington, Del., US;
Purdue Research Foundation, West Lafayette, Ind., US
Erfinder Broberg, Harold L., Fort Wayne Indiana 46825, US;
Predina, Joe Paul, Fort Wayne Indiana 46825, US
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60208608
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.07.2002
EP-Aktenzeichen 020162129
EP-Offenlegungsdatum 22.01.2003
EP date of grant 11.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.08.2006
IPC-Hauptklasse G05B 13/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Motorregelung und insbesondere Motorregelungsanwendungen, die rasche, periodische Punktbewegungen erfordern.

Beschreibung des Standes der Technik

Die rasche Positionierung eines bewegten Gegenstandes wird unter Verwendung eines motorisierten Systems, wie z. B. eines Servosystems erreicht, das typischerweise unter Verwendung eines der vielen bekannten Regelungsalgorithmen geregelt wird. Ein Motor und der von dem Motor bewegte Gegenstand werden allgemein als eine "Anlage" bezeichnet. Ein Beispiel einer derartigen Anlage ist ein Drehspiegel, der ein Bild in eine Kamera lenkt, die in einem Wettersatelliten montiert ist, in welchem die Kamera die Erde fotografiert. Der Motor positioniert den Spiegel periodisch neu, um eine Reihe von Fotografien zu erzeugen, die zusammen ein Abbild der Erde bilden. Wenn Veränderungen in der Anlage erwartet werden, können adaptive Regelungsverfahren verwendet werden, um die Anlage genauer zu positionieren. Wenn die Bewegung periodisch ist, stehen spezialisiertere adaptive Verfahren, darunter repetitive und lernende Regelung, zur Verfügung.

Einige moderne periodische Regelungssysteme benötigen Positionierungszeiten, die an das theoretisch mögliche Minimum angenähert sind, während sie ebenfalls die verwendete Spitzenleistung minimieren. Dies erfordert eine optimale Mindestzeit-Lösung, die Pontryagin's Minimum-Prinzip allgemein erfüllt, das beispielsweise in Optimal Control Theory, Donald E. Kirk, Prentice-Hall Inc., S. 227–228, 1970 beschrieben ist. Diese optimale Mindestzeit-Lösung erfordert jedoch eine anfängliche maximale Beschleunigung, gefolgt von einer maximalen Verzögerung, und wird nach dem Stand der Technik als Zweipunktregelung bezeichnet. Zweipunktregelung ist gewöhnlich mit einem Steuerungssystem verbunden. In der Theorie bewegt die Zweipunktregelung eine Anlage in einer minimalen Zeitspanne. In der Praxis treten jedoch häufig Überschwingen und Ausregelzeit auf, nachdem die Anlage ihre Endposition erreicht hat. Eine Abweichung von der gewünschten Position nach der anfänglichen raschen Bewegung von der Zweipunktregelung hat gewöhnlich sinusförmige Komponenten, die als Restschwingung bezeichnet werden. Dies ist ein Nichtnull-Positionsfehler am Ende des Zweipunktregelungsvorgangs, dessen Ausmaß als eine gedämpfte Sinuskurve um die gewünschte Position schwingt, und zwar als Folge der Regelung, die die Anlage bewegt, um den Fehler zu beseitigen. Die Restschwingung ist durch Störungen, nichtlineare Effekte, Resonanzen, zeitbezogene Schwankungen und andere Faktoren bedingt. Häufig können diese Faktoren nicht mit der erforderlichen Präzision in einem Modell des Regelsystems berücksichtigt werden.

Steuerungstechniken sind in der Literatur umfangreich beschrieben und haben sich auf verschiedenen Gebieten der Steuerung als wirksam erwiesen. Beispielsweise wurde die Steuerung mit einer auf einem Anlagenmodell für eine Präzisions-Diamantendrehanwendung basierenden Eingabe verwendet. In dieser Anwendung könnte ein Hybrid-Regelungsgesetz verwendet werden (Steuerung und Regelung). In einem anderen Beispiel wurde die Regelung mit einem Schaltzonen-Controller verwendet, der das lineare Umschalten des Motordrehmoments von einem maximalen positiven (Beschleunigung) zu einem negativen (Verzögerung) Wert in einer Roboteranwendung veranlasst. In einem weiteren Beispiel verwendet einen "modifizierter Zweipunkt"-Controller die Steuerung für die rasche Bewegung und schaltet nahe der gewünschten Position auf Regelung um, um eine (militärische) Panzerkanonen-Ladeeinrichtung zu steuern.

Die EP-A-0 461 627 zeigt ein Regelungssystem zur Verwendung in einer Spritzgussmaschine auf, das die Maschine durch Steuerung und anschließend durch Regelung steuert. Die EP-A-0 461 627 verwendet eine Differenz zwischen der Steuerungsausgabe und der Regelungsausgabe, um die Steuerungsgenauigkeit über die Zeit zu verbessern. Insbesondere verwendet sie ein Segmentprofil in einer kombinierten Steuerungs/Regelungs-Steuerstrategie, um einen Anfangssegment-Einstellungspunkt zu schaffen, der in einer ersten Periode in ein Steuerungssignal umgewandelt wird und anschließend verwendet wird, um in einer zweiten Periode ein Regelungssignal zu erzeugen. Am Ende des Segments werden die beiden Steuersignale verglichen und anschließend wird der Einstellungspunkt modifiziert.

Die US-A-5,677,609 betrifft einen Servomechanismus-Controller, der ein neurales Netz verwendet, um einen Servomechanismus, wie z. B. einen Aktuator in einer Festplattenanordnung zu steuern. Die US-A-5,677,609 beschreibt das Trainieren eines neutralen Netzes, um ein modifiziertes Zweipunkt-Antriebssignal zum Steuern des Servomechanismus basierend auf zuvor erzeugten Zweipunkt-Antriebssignalen zu erzeugen.

Herkömmliche Steuerungs- und Steuerungs-/Regelungssysteme, wie z. B. die vorstehend erörterten, sind bei Anwendungen nicht ausreichend, die rasche, periodische Bewegungen erfordern, da sie nicht gleichzeitig die Repositionierungszeit, die verwendete Spitzenleistung und jegliche Restschwingungen minimieren. Insbesondere schließen sie keine algorithmische, repetitive Abstimmung der Steuerungs-Eingangsimpulsamplituden für den Motor basierend auf der Position und Geschwindigkeit ein, wenn der Regelkreis geschlossen wird, um Restschwingungen zu minimieren, die aus der Regelung resultieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung kann die gleichzeitig vorliegenden Probleme bei herkömmlichen Regelsystemen zur Minimierung der Repositionierungszeit, Minimierung der verwendete Spitzenleistung und Minimierung der Restschwingungen für ein periodisches System, das eine rasche Bewegung erfordert, lösen.

Diese Probleme können durch Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und eines Verfahrens nach Anspruch 6 gelöst werden. Vorzugsweise wird ein Steuerungsbefehl, wie z. B. ein Zweipunktsteuerungssignal, zum Bewegen der Anlage eingegeben, anschließend wird eine Regelung verwendet, um die Bewegung zu der gewünschten Position fein abzustimmen, und eine Form von repetitiver/lernender Regelung wird verwendet, um die Zweipunktsteuerungssignal-Parameter für nachfolgende periodische Bewegungen einzustellen. Das Zweipunktsteuerungssignal wird bestimmt, um die Sättigungs-Nichtlinearitäten in der Elektronik (zum Beispiel bedingt durch Spannungsspitzen/Stromspitzen) und in dem Motor (zum Beispiel bedingt durch Beschleunigungsgrenzwerte) zu minimieren. Die anfänglichen positiven und negativen Amplituden des Zweipunktsteuerungs-Eingangssignals werden auf der Basis eines Modells der Anlage berechnet. Die maximale und die minimale Amplitude des Zweipunkt-Eingangsignals werden anschließend unter Verwendung der repetitiven/lernenden Regelung periodisch eingestellt.

Die Verwendung einer Steuerung, die auf Regelung umgeschaltet wird, in Anwendungen, die rasche, periodische Bewegungen erfordern, hat unter anderem folgende Vorteile.

  • 1. Die Steuerung kann ein rascheres Ansprechverhalten als die Regelung bieten, da die Befehlssignaleingabe direkt in die Anlage gekoppelt ist.
  • 2. Die Steuerung kann effizienter als die Regelung sein, da weniger Komponenten vorhanden sind und die Reaktion näher an dem Zeitoptimum für die Punktbewegung sein kann.
  • 3. Die Linearität (keine Sättigung) innerhalb der Elektronik und der Anlage (Motor) kann aufrechterhalten werden, indem die höchsten Frequenzkomponenten und die maximale Amplitude des Steuerungseingangsbefehls begrenzt werden.
  • 4. Die Regelung reduziert die Auswirkung von äußeren Störungen und hält exakt die Endposition nach der Bewegung gemäß der Steuerung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Blockschaltbild eines Modells zum Testen der auf Regelung umgeschalteten Steuerung.

2 ist ein Diagramm, das ein Zweipunktsteuerungssignal zeigt, das als ein Steuerungsbefehl verwendet wird.

3 ist ein Diagramm, das ein Eingangssignal und Geschwindigkeits- und Beschleunigungswellenformen zeigt, in welchen keine Reibung (normalisiert) für die Anlage vorliegt.

4 ist ein Diagramm, das den Effekt von Reibung auf die Endposition und die Endgeschwindigkeit der Anlage zeigt.

5 ist ein Diagramm, das das Eingangssignal, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswellenformen für die Anlage zeigt, die für einen kleinen Geschwindigkeitsfehler angepasst sind.

6 ist ein Diagramm, das das Eingangssignal, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswellenformen für die Anlage zeigt, die für einen kleinen Positionsfehler angepasst sind.

7 ist ein Diagramm, das die Positionierungsschritte für einen Takt in einer Anwendung der Erfindung in einem Wettersatelliten zeigt.

8 ist ein Blockschaltbild einer Motorregelungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

9 ist ein Zeitablaufdiagramm von Signalen, die in der in 8 gezeigten Vorrichtung verwendet werden.

10 ist ein Diagramm, das eine Veränderung der Anlagenendposition und -geschwindigkeit gegen eine Größenveränderung eines Steuerungseingangsbefehls zeigt.

11 ist ein Diagramm, das eine Veränderung der Anlagenendposition und -geschwindigkeit gegen eine Flächenveränderung eines Steuerungseingangsbefehls zeigt.

12 ist ein Diagramm, das die Auswirkung der lernenden Regelung auf einen Positionsfehler zeigt.

13 ist ein Diagramm, das die Auswirkung der lernenden Regelung auf einen Geschwindigkeitsfehler zeigt.

14 ist ein Diagramm, das ein modifiziertes Zweipunktsteuerungssignal zeigt, das gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung als ein Steuerungsbefehl verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Bevorzugte Ausführungsformen gemäß vorliegender Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die vorstehend beschriebenen Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente bezeichnen.

Das Anlegen eines Steuerungsbefehls, wie z. B. eines Zweipunktsteuerungssignals, an eine Anlage bewegt die Anlage rasch, während in der Theorie die verwendete Spitzenleistung minimiert wird. Die Zweipunktsteuerung führt jedoch häufig zu einem Überschwingen der gewünschten Position, wodurch ein Regelungsvorgang erforderlich wird, um die Bewegung der Anlage zu der gewünschten Endposition fein abzustimmen. Dies kann dazu führen, dass das Positionieren wesentlich länger als erforderlich dauert. Durch Verwendung einer wiederholt lernenden Regelung, das heißt entweder lernenden Regelung oder repetitiven Regelung, können gemäß der Erfindung die Parameter des Zweipunktsteuerungssignals für nachfolgende Bewegungen eingestellt werden, um das Ausmaß des Überschwingens zu reduzieren und somit die Zeitdauer bis zum Erreichen der gewünschten Position zu verringern. Lernende Regelung berücksichtigt den Fall, in dem das Regelungssystem stets von dem gleichen Anfangszustand ausgeht und am Ende jedes Laufs die Daten verwendet werden, um einen modifizierten Befehl für das Regelungssystem für die nächste Wiederholung zu wählen. Repetitive Regelung berücksichtigt die Situation, in der dem Regelungssystem ein periodischer Befehl gegeben wird oder es einer periodischen Störung ausgesetzt ist und vor dem Start der nächsten Periode nicht zu dem gleichen Ausgangszustand zurückkehren muss.

Die repetitive Abstimmung der Amplitude der Zweipunktregelungseingabe basierend auf der Endposition und der Geschwindigkeit, wenn der Regelkreis geschlossen wird, ist dem klassischen linearen Reglerproblem ähnlich, da die Regelung auf die Anfangsbedingungen reagiert, wenn der Regelkreis geschlossen ist.

Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Simulationsmodells zum Testen der erfindungsgemäßen Steuerungs-/Regelungs-Techniken ist in 1 gezeigt.

Das Simulationsmodell enthält eine Eingabebefehlseinheit 10 zum Erzeugen eines Steuerungseingabebefehls ansprechend auf eine Zeitgebungssignalausgabe von einem Zeitfolgegenerator 11. Der Steuerungsbefehl wird an eine Differenzeinheit 12 angelegt, die auch aktuelle Positionsinformationen betreffend die Position einer Anlage empfängt. Die Differenzeinheit erzeugt ein Positionsfehlersignal und gibt das Signal an einen Schalter 13 (SW1), einen Differenzierer 14 und einen Lern-Controller 19 aus. Der Differenzierer 14 differenziert das Positionsfehlersignal und erzeugt ein Geschwindigkeitsfehlersignal, das an den Schalter 13 (SW1) angelegt wird. Ein von der Zeitfolgeeinheit 11 ausgegebenes Zeitgebungssignal SW1 steuert den Schalter 13, um zwischen einer Steuerungsposition und einer Regelungsposition umzuschalten. In der Regelungsposition gibt der Schalter 13 das Positionsfehlersignal und das Geschwindigkeitsfehlersignal an eine Filtereinheit 15 aus. Die Filtereinheit 15 führt eine Filterfunktion (N(z)/D(z)) durch, die die Regelung stabilisiert, wobei N(z) ein Zähler-Polynom und D(z) ein Nenner-Polynom in Z-transformierter Schreibweise ist. Die gefilterte Ausgabe wird an einen zweiten Schalter 16 (SW2) angelegt, der von einem Zeitgebungssignal SW2 gesteuert wird, das von der Zeitfolgeeinheit 11 ausgegeben wird. Der Schalter 16 legt den gefilterten Regelungsbefehl an eine Anlage 17 an, wenn das Zeitgebungssignal SW2 eine Regelungsbefehlszeit anzeigt, um den Positionsfehler in der Position der Anlage zu korrigieren. In der Steuerungsposition gibt der Schalter 16 (SW2) einen von dem Lern-Controller 19 empfangenen Steuerungsbefehl aus.

Zu Beginn jeder Schrittbewegung der Anlage öffnen die Schalter 13 und 16 alle Regelkreise (z. B. Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise), und die Eingabebefehlseinheit 10 erzeugt einen Eingabepositionsbefehl, der in die Anlage eingegeben wird, um sie in die von dem Eingabebefehl dargestellte gewünschte Position zu bewegen. Der Steuerungsbefehl wird an die Anlage 17 in Übereinstimmung mit dem Steuerungsalgorithmus angelegt.

Ein ideales Zweipunktsteuerungssignal ist in 2 gezeigt. Ein Steuerungssignal 30, das dem idealen Zweipunktsteuerungssignal ähnlich ist, hat eine rasche Anstiegs- und Abfallzeit, wie beispielsweise in 3 gezeigt, und wird als der Steuerungsbefehl verwendet. In der Praxis wird jedoch nicht die ideale Zweipunktwellenform verwendet, sondern an Stelle dessen wird ein Steuerungssignal verwendet, das "nahe" an einer idealen Zweipunktwellenform liegt, sodass die maximale Beschleunigung des Motors (Sättigung des Motors) nicht erreicht wird. Zur Vereinfachung der Darstellung wird jedoch das Steuerungssignal, wie etwa das als Beispiel in 3 gezeigt der Steuerungssignal 30, als das Zweipunktsteuerungssignal bezeichnet. Das in 2 gezeigte Zweipunktsteuerungssignal enthält einen ersten Abschnitt vom Zeitpunkt t0 bis t1/2 mit einer positiven Amplitude Amax und einen zweiten Abschnitt vom Zeitpunkt t1/2 bis t1 mit einer negativen Amplitude Amin. Obgleich das Zweipunktsteuerungssignal als Spannungssignal dargestellt ist, versteht es sich, dass andere Signalarten verwendet werden können, wie etwa ein Stromsignal.

Die Steuerungsbefehleingabe in die Anlage bewegt die Anlage rasch in die gewünschte Position. Nachdem der Steuerungsbefehl ausgeführt wurde, werden die Schalter 13 und 16 ausgelöst, um den bzw. die Regelkreise zu schließen und sie bis zur nächsten Schrittbewegung geschlossen zu halten. Die Regelungsbefehlseinheit 15 spricht auf die Anfangsbedingungen, wie etwa eventuelles Positions-Überschwingen und/oder Restschwingungen an, die von dem Steuerungsbefehl zum Zeitpunkt des Schließens des Regelkreises erzeugt werden. Wenn somit die Position der Anlage am Ende der Steuerungseingabe nahe an der beabsichtigten Endposition ist, mit geringen Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten, veranlasst der Regelungsfilter 15, dass das Regelungssystem sich rasch mit einer geringen Restschwingung auf die gewünschte Endposition einschwingt.

Beschreibung des allgemeinen Algorithmus

Eine ideale Bewegungssteuereinrichtung der zweiten Ordnung (wie etwa ein Motor) ohne Reibung und ohne durch Nichtlinearität oder Zeitabhängigkeit bedingte Effekte kann als ein doppelter Integrator betrachtet werden. Wenn, wie in 3 gezeigt, ein symmetrischer Zweipunktsteuerungsbefehl (der als ein Drehmoment, eine Kraft oder eine Beschleunigung betrachtet werden kann) als Eingabe wie durch das Signal 30 in 3 dargestellt abgegeben wird, wird er integriert, um die Ausgabegeschwindigkeit zu bestimmen, die als die dreieckige Wellenform in 3 dargestellt ist. Die Geschwindigkeitswellenform wird wiederum integriert, um die Ausgabeposition zu bestimmen, die als Parabelwellenform 32 in 3 dargestellt ist. Demgemäß ist für dieses ideale System die Geschwindigkeit symmetrisch, die Endgeschwindigkeit ist Null und die Endposition ist die gewünschte Position (in der Figur auf 1 normalisiert). Für diesen Fall sind keine Anfangsbedingungen vorhanden, wenn der Regelkreis geschlossen wird. Das Schließen des Regelkreises dient nur dazu, die Ausgabe an ihrer gewünschten Endposition zu halten und externe Störungen auszugleichen.

Der in 3 dargestellte ideale Fall kann jedoch nicht verwirklicht werden. In der Praxis wirkt die Reibung in einem Bewegungssteuerungssystem dem eingegebenen Drehmoment-/Kraftbefehl entgegen. Dies kann als eine Verminderung der Größe des positiven Eingabebefehlsabschnitts des Zweipunktbefehls betrachtet werden, der die Beschleunigung der Vorrichtung veranlasst, und eine Erhöhung der Größe des negativen Eingabebefehls, der die Verzögerung der Vorrichtung veranlasst, wie durch das Zweipunktbefehlssignal 40 in 4 dargestellt. Der positive Eingabebefehlsabschnitt des Signals 40 veranlasst die Vorrichtung zu beschleunigen, und der negative Abschnitt veranlasst die Vorrichtung, zu verzögern. Die Auswirkung auf die Geschwindigkeit der Ausgabe ist in 4 als die dreieckige Wellenform 41 gezeigt. Die Endgeschwindigkeit bei Vollendung des Steuerungsbefehls ist negativ und die gewünschte Endposition (gleich "1"), als Signal 42 gezeigt, ist nicht erreicht.

Um die Auswirkungen der Reibung zu korrigieren, sodass die Endgeschwindigkeit nahe Null ist, muss die Größe des positiven Eingabebefehlsabschnitts (Beschleunigung) des Zweipunktsignals 40 erhöht werden, und die Größe des negativen Eingabebefehlsabschnitts (Verzögerung) vermindert. Dies erzeugt ein asymmetrisches Eingabebefehlssignal 50, wie 5 zeigt. Die Endgeschwindigkeit am Ende des Steuerungsbefehls kann nahe Null gebracht werden, wie durch die Geschwindigkeitswellenform 51 gezeigt, aber auf Grund nichtlinearer Effekte, wie z. B. Dahl-Reibung, Rastkräfte und Lagerreibung wird möglicherweise die gewünschte Endposition, die durch die Positionswellenform 52 (gleich "1") gezeigt ist, nicht erreicht werden. Die tatsächliche Endposition kann vor oder jenseits der gewünschten Endposition liegen. In 5 ist die Positionswellenform 52 geringfügig jenseits der gewünschten Endposition "1" gezeigt.

Um diese nichtlinearen Effekte auszugleichen, sodass sowohl der Endpositionsfehler als auch die Endgeschwindigkeit am Ende des Zweipunktsteuerungsbefehls nahe Null sind, muss der Eingabebeschleunigungsbefehl angepasst werden, während dieselbe Gesamtfläche beibehalten wird, die während eines vorherigen Verweilens an dieser Position verwendet wurde, sodass die Endgeschwindigkeit nahe Null gehalten wird. Die Größen der Amplituden der positiven und der negativen Abschnitte des Zweipunkteingabebefehls werden beide erhöht, um die Endposition zu erhöhen, oder beide vermindert, um die Endposition zu reduzieren, und zwar in dem gleichen Ausmaß, bis die Endposition an dem gewünschten Punkt platziert ist. Dies ist in 6 für eine Verminderung der Größen der Amplituden der beiden Abschnitte des Zweipunkteingabebefehlssignals 60 gezeigt, sodass die Endgeschwindigkeitswellenform 61 am Ende des Steuerungsbefehls nahe Null ist und die Positionswellenform an der gewünschten Position ist.

Ein Motor hat ferner eine elektrische Zeitkonstante auf Grund der Induktivität und des Drahtwiderstands, die den Eingabestrom verzögert. Die elektrische Zeitkonstante des Motors verzögert die von dem Motor abgegebene Beschleunigung bzw. das Drehmoment. Das Hinzufügen einer Verzögerung zwischen dem Ende des Steuerungseingabebeschleunigungsbefehls, d. h. dem Ende des Zweipunktsteuerungssignals, und dem Schließen des Regelkreises ermöglicht es, dass Strom/Beschleunigung/Drehmoment sich stabilisieren und vor dem Schließen des Regelkreises nahe Null sind. Jede Veränderung der Endposition und der Geschwindigkeit auf Grund dieser kurzen Stabilisierungsperiode wird durch die repetitive/lernende Regelung korrigiert. Diese Sequenz ergibt einen Positionsfehler, eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung nahe Null, wenn der Regelkreis geschlossen wird.

Beschreibung des simulierten Algorithmus und der Anlage

Ein Beispiel einer Anwendung der Erfindung ist ihre Verwendung in einem simulierten Modell eines Servosystems zur Simulation von Spiegelausrichtsystemen (für sichtbare und Infrarot-Bilder), die an Bord von Wettersatelliten verwendet werden. Das Modell kann viele interne Parameter für einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor und einen zugehörigen Stromtreiber mit breiter Bandbreite für den gleichen Motor enthalten. Die mit der Präzisionssteuerung und mit dem langen, unbeaufsichtigten Betrieb im Weltall verbundenen Parameter können ebenfalls simuliert werden. Die Auswirkungen von wesentlichen Faktoren, wie z. B. Haltemoment, statische, viskose und Dahl-Reibung, Lagerdrehmoment, Temperaturschwankungen, andauernde Strahlungsbelastung und Schwankungen von anderen Lebensdauerparametern können unter Verwendung dieses Modells bewertet werden. Broberg H. et al., "Periodic Multi-Step Tracking Control for a Weather Satellite Scanning Mirror", ASME Transaction on Dynamic Systems, Measurement and Control, März 2001, das durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist, bietet zusätzliche Details über ein derartiges Modell und Beschreibungen von anderen Simulationen, die vollendet wurden, während Verfahren zum Bereitstellen einer raschen Punktbewegung für ein Wettersatelliten-Servosystem untersucht wurden.

Der gewünschte Regelungsalgorithmus wird von dem Benutzer gewählt und abgestimmt, um das beste Ansprechverhalten unter Verwendung eines herkömmlichen Regelungsalgorithmus zu bieten. Diese Abstimmung der Regelung ist nicht von der periodischen Natur der Eingabe abhängig. Schaltzeiten werden basierend auf Messungen (oder auf einem Modell) der Anlage bestimmt, um einen Betrieb nahe an der Minimalzeit zu bieten. Der erste Takt der repetitiven Eingabe verändert vorbestimmten Motorparameter, um die Amplituden des anfänglichen Zweipunktbefehls zu berechnen. Eine kurze Verzögerung von annähernd vier elektrischen Zeitkonstanten wird während jeder Iteration vor dem Schließen des Regelkreises zugelassen, um es zu erlauben, dass sich der Strom/die Beschleunigung, die auf Grund der elektrischen Zeitkonstante des Motors der Position/Geschwindigkeit nacheilen, nahe Null einschwingen. Für die nachfolgenden Takte stellt eine Form der iterativen lernenden Regelung, entweder repetitive Regelung oder lernende Regelung, gleichzeitig die Endposition und die Geschwindigkeit nahe Null ein, indem die positive und die negative Amplitude des Zweipunktsteuerungsbefehls variiert werden. Die Berechnungen der iterativen lernenden Regelung werden während jeder Regelungs-Verweildauer des Systems durchgeführt.

Allgemeine Abstimmung: Ein beispielhaftes Simulationssystem ist ein Servomotorregelungssystem mit einer periodischen Mehrschritteingabe. Ein Beispiel eines Taktes des Befehls für die gewünschte Position ist in 7 gezeigt, die mehrere Positionsschritte zeigt, über die sich der Servo in einer Periode des Taktes bewegt. Wie 7 zeigt, hält in jedem Schritt der Servo seine Position, während Daten (sichtbares Licht oder Infrarot-Spektrometrie) von der Kamera erfasst werden. Beispielsweise wird in einem Wettersatelliten ein Servo mit daran befestigtem Spiegel, um Licht in eine Kamera zu richten, in Schritten in inkrementale Positionen bewegt, um die Erde zu fotografieren. Nachdem in einer Position Daten erfasst wurden, geht der Servo in einem Schritt zu einer neuen Position weiter und erfasst weitere Daten. Diese Sequenz wird über eine vorbestimmte Anzahl von Schritten fortgeführt. Wenn die Schrittbewegungen vollendet sind (z. B. die Erde für den Wettersatelliten nicht mehr sichtbar ist), schwenkt der Servo in die Ausgangsposition zurück (ein vollständiger Takt oder 2&pgr; Radianten) und der Takt beginnt erneut.

Das Motorregelungssystem kann so programmiert werden, dass die folgende Sequenz wiederholt abläuft, beispielsweise unter Verwendung eines Simulators und am Anfangszeitpunkt jeder Schrittbewegung beginnend, wie in 7 gezeigt.

  • 1. Die Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise werden geöffnet und der Steuerungsbefehl wird eingeleitet.
  • 2. Für jeden Positionsschritt in dem Takt, wenn die System-Regelkreise geschlossen gilt:
  • a Der Steuerungsbefehl ist 0 (mit Ausnahme einer möglichen Kompensation für die Motoransteuerung, um das Haltemoment des Motors auf Null zu setzen)
  • b Die Motorposition und -geschwindigkeit werden gemessen und im Speicher gespeichert
  • c Der Systemeingabebefehl (auf der linken Seite von 1) ist an der gewünschten Position.
  • 3. Das Regelungssystem arbeitet auf der Basis der Anfangsbedingungen, treibt die Ausgabe auf die gewünschte Position und hält sie dort.
  • 4. Das Regelungssystem verbleibt in dieser Endposition für einen vorbestimmten Zeitraum vor der nächsten Bewegung. Während dieser Zeit werden die Amplituden des Zweipunktbefehls für den nächsten repetitiven Takt berechnet, basierend auf dem Algorithmus und in

Abhängigkeit von der Motorposition und -geschwindigkeit, als der Regelkreis geschlossen wurde.

Die vorstehende Sequenz wird für jeden der Vielzahl von Positionsschritten während einer Umdrehung des Servomotors wiederholt. Anschließend wird die neue Sequenz der Steuerungseingabebefehle, die während des vorhergehenden Taktes berechnet wurden, verwendet, um die Leistung des Motorregelungssystems während des nächsten Taktes zu verbessern. Diese Sequenz wird wiederholt, bis eine festgelegte Toleranz erfüllt wird. Berechnungen und Algorithmen, die für eine derartige Simulation verwendet werden können, werden nachfolgend erörtert.

Berechnung des ersten Taktes:

Die Beschleunigung für einen Gleichstrommotor ohne Reibung ist durch Gleichung 1 gegeben, A = I·KtJ(1) worin A die Beschleunigung ist, I der Eingabestrom ist, Kt die Drehmomentkonstante des Motors ist und J die Trägheit des Motors und der Last ist. Wenn die Induktivität des Motors und die Rück-EMK ignoriert werden, ist der Motorstrom durch Gleichung 2 gegeben, I = Vi/RM(2) worin Vi die Eingabespannung ist und RM der Motorwicklungswiderstand ist.

Eine ideale Zweipunkteingabe-Beschleunigung (ähnlich der in 2 gezeigten) erzeugt eine Geschwindigkeit, die das Integral der Beschleunigung ist. Somit ist für eine gesamte Zweipunktzeit t1 die maximale Geschwindigkeit (VM) durch Gleichung 3 gegeben VM = A·t1/2(3) und die Geschwindigkeitswellenform ist dreieckig, wie in 3 gezeigt. Die Endposition (PF) ist das integral der Geschwindigkeit über die gesamte Zeit t1, wie Gleichung 4 zeigt.

Dies ergibt eine Beziehung zwischen der Endposition, der Eingabespannung und der Zweipunktzeit, die durch Gleichung 5 gezeigt ist.

Wenn eine gewünschte Endposition und ein gewünschter maximaler Motorstrom (zum Aufrechterhalten der Linearität) gegeben sind, kann die für diesen Idealfall erforderliche Zeit (Mindestzeit) t1 bestimmt werden.

Verschiedene lineare Schätzungen von nichtlinearen Effekten können verwendet werden, um die Anfangsberechnungen der Eingabespannungsamplituden zu verbessern.

  • 1. Eine linear steigende Eingabespannung (eine Annäherung an die tatsächliche Exponentialfunktion) kann verwendet werden, um die finite Anstiegszeit der Beschleunigung modellhaft abzubilden. Der Effekt auf die Fläche unter der Beschleunigung (3) ist
    wobei tR die Zeitspanne ist, während der die ansteigende Eingabespannung eingeschaltet ist. Der Effekt der ansteigenden Eingabespannung ist es, die maximale Beschleunigung zu vermindern. Die Größen des Zweipunkteingabebefehls werden um diesen Prozentsatz erhöht.
  • 2. Ein linearer Schätzwert des Effekts der Bewegungsreibung ist durch Gleichung 6 gegeben
    basierend auf einer rechteckigen Zweipunkteingabe, worin Kv der viskose Widerstandskoeffizient für den Motor ist. Diese Reibung wirkt dem Eingabedrehmoment entgegen und vermindert die Beschleunigung während des positiven Eingabeimpulses und erhöht die Verzögerung während des negativen Eingabeimpulses. Die maximale Größe des positiven Eingabeimpulses wird um diesen Prozentsatz erhöht und die maximale Größe des negativen Eingabeimpulses wird um diesen Prozentsatz vermindert. Dies verändert die Fläche unter dem Eingabebefehl des Zweipunkttyps.
  • 3. Ein linearer Schätzwert der Rück-EMK des Motors ist durch Gleichung 7 gegeben,
    basierend auf einer rechteckigen Zweipunkteingabe, wobei Kb die Rück-EMK-Konstante des Motors ist. Der Effekt der Rück-EMK ist, dass sie der Eingabespannung des Motors entgegenwirkt. Dies erzeugt einen dem Reibungseffekt ähnlichen Effekt für diese lineare Schätzung. Die maximale Größe des positiven Eingabeimpulses wird um diesen Prozentsatz erhöht und die maximale Größe des negativen Eingabeimpulses wird um diesen Prozentsatz vermindert. Diese verändert ebenfalls die Fläche unter dem Eingabebefehl. Die Verwendung eines Stromtreibers für den Motor kann ebenfalls den Effekt der Rück-EMK des Motors beseitigen.

Der erste vorstehend genannte Schätzwert (nummerierter Absatz 1) korrigiert die Endposition und der zweite und der dritte Schätzwert (nummerierter Absatz 2) und (nummerierter Absatz 3) passen beide die Endgeschwindigkeit und -position an und ergeben einen anfänglichen Eingabebefehl vor dem Beginn der repetitiven Korrekturen.

Repetitive Abstimmung:

Die Veränderungen der Position und der Geschwindigkeit am Ende des Steuerungsbefehls stehen in direkter Beziehung zu der Amplitude und der Fläche des Zweipunkttyps der Steuerungseingabe. Daher ist die Fehlerkonvergenzbedingung nur von dem direkten Übertragungsterm in diesem lernenden Regelungsschema abhängig, wie von Toshiharu, Sugie und Toshiro, Ono in "An Iterative Learning Control Law for Dynamical Systems", Automatica, Bd. 27, Nr. 4, Seiten 729–732, 1991 beschrieben. Diese Beziehungen sind nahezu linear und können als eine Gruppe von Gleichungen unter Verwendung der folgenden Variablen ausgedrückt werden.

&Dgr;Pf
≡ Veränderung der Endposition = Endposition zu dem Zeitpunkt, an dem der Regelkreis geschlossen wird, minus Endposition von dem vorhergehenden Takt zu dem Zeitpunkt, an dem der Regelkreis geschlossen wurde.
&Dgr;Vf
≡ Veränderung der Endgeschwindigkeit = Endgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt, an dem der Regelkreis geschlossen wird, minus Endgeschwindigkeit von dem vorhergehenden Takt zu dem Zeitpunkt, an dem der Regelkreis geschlossen wurde.
&Dgr;A
≡ Veränderung der Größe (|Amplitude|) sowohl der positiven als auch der negativen Amplitude der Zweipunktsteuerungs-Beschleunigungsseingabe. Wenn beispielsweise die positive Zweipunkt-Amplitude +10 ist und die negative Zweipunkt-Amplitude –8 ist und &Dgr;A = +0,5 ist, wäre der resultierende Zweipunktbefehl +10,5 und –8,5 (beispielsweise werden beide Größen durch &Dgr;A erhöht).
&Dgr;S
≡ Flächenverschiebung des Steuerungsbefehls, ausgedrückt in Bezug auf die Amplitude. Wenn beispielsweise die positive Zweipunkt-Amplitude +10 ist und die negative Zweipunkt-Amplitude –8 ist und &Dgr;S = –0,3 ist, wäre der resultierende Zweipunktbefehl +9,7 und –8,3, sodass die gesamte Wellenform in der Amplitude um 0,3 abwärts verschoben wird. Somit gilt &Dgr;S = Stromfläche des Zweipunkteingabebefehls–Fläche des Zweipunkteingabebefehls des vorangehenden Taktes.

Die resultierenden linearen Gleichungen sind als Gleichungen (8) und (9) gezeigt, worin a, b, c und d Konstanten sind, die aus Messungen oder Parametermodellen des Motors und der Last bestimmt werden. Diese Gleichungen legen fest, dass die Veränderung der Endposition und die Veränderung der Endgeschwindigkeit von einem Takt zu dem nächsten linear zu der Veränderung der Größe und der Veränderung der Fläche des Zweipunkteingabebefehls in Beziehung stehen. &Dgr;Pf = a·&Dgr;A + b·&Dgr;S(8) &Dgr;Vf = c·&Dgr;A + d&Dgr;S(9)

Löst man die Gleichungen (8) und (9) nach &Dgr;A und &Dgr;S auf, ergibt sich eine Gruppe von linearen Gleichungen, die direkt in dem Lern-Regelungsalgorithmus verwendet werden können, um sowohl den Fehler hinsichtlich der Endposition als auch der Endgeschwindigkeit zu vermindern. Die nachfolgenden Gleichungen (10) und (11) werden verwendet, um die erforderliche Veränderung der Größe und der Fläche des Zweipunkteingabebefehls zu berechnen, um den Positionsfehler und die Endgeschwindigkeit während des nächsten Taktes auf Null zu reduzieren, worin e, f, g und h Konstanten sind. &Dgr;A = e·&Dgr;Pf + f·&Dgr;Vf(10) &Dgr;S = g·&Dgr;Pf + h·&Dgr;Vf(11)

Basierend auf diesen Beziehungen kann der folgende Algorithmus verwendet werden, um die Größe der Amplitude und der Fläche des Zweipunktsteuerungseingabebefehls repetitiv zu korrigieren, um den Positionsfehler und die Geschwindigkeit zu vermindern, wenn der Regelkreis geschlossen wird.

Motorregelungsvorrichtung unter Verwendung einer iterativen lernenden Regelung

Ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Motorregelungsvorrichtung, die iterative lernende Regelung gemäß der Erfindung verwendet, ist in 8 gezeigt und ein Zeitablaufdiagramm für die Vorrichtung ist in 9 gezeigt.

Die Motorregelungsvorrichtung aus 8 enthält eine Befehlseingabeeinheit 70, die zu Beginn des in 7 gezeigten Taktes einen Abtastbefehl ausgibt, wobei der Takt eine Periode T hat. Der Takt mit der Periode T enthält eine Vielzahl von Positionsschritten, die jeweils die Anlage um ein vorbestimmtes Ausmaß bewegen, in diesem Fall einer bestimmten Anzahl von Radianten entsprechend. Einen Zeitfolgegenerator 71 ist mit der Befehlseingabeeinheit 70 verbunden und erzeugt Auslöseimpulse, die in dem gesamten Motorregelungssystem verwendet werden. Ein Impulsgenerator 72 empfängt eine Schrittbefehlausgabe von dem Zeitfolgegenerator 71, um ein Steuerungsbefehlssignal zu erzeugen, wie etwa das in 2 gezeigte Zweipunktsteuerungssignal. Ein Schalter 73 (S1) schaltet zwischen einem Steuerungspol A, der mit dem Ausgang des Impulsgenerators 72 verbunden ist, und einen Regelungspol B um. Der Schalter 73 (S1) legt seine Ausgabe an eine Motoransteuerungseinrichtung 74 an, die einen Motor 75 ansteuert. Der Motor bewegt eine Last 76, wie etwa eine Datenerfassungseinrichtung, beispielsweise eine Kamera oder einen Spiegel. Einen Positionssensor 77 erfasst eine Position der Last und des Motors und gibt ein Positionsmesssignal an eine Subtrahiereinrichtung 78 aus. Die Subtrahiereinrichtung 78 empfängt ferner von einer Positionseinheit 79 Positionsinformationen, die die gewünschte Position angeben, in welche die Anlage bewegt werden soll.

Die Subtrahiereinrichtung 78 subtrahiert die gemessene Position von der gewünschten Position und gibt ein Positionsfehlersignal Pe(t) aus. Das Positionsfehlersignal Pe(t) wird einem ersten Regelungspol B1 eines Schalters 80 (S2) eingegeben. Der Schalter 80 (S2) enthält ferner nicht angeschlossene Pole A1 und A2. Eine Differenziereinrichtung 81 erzeugt ein Geschwindigkeitssignal V(t) durch Differenzieren des Positionsfehlersignals Pe(t). Alternativ kann ein separater Geschwindigkeitssensor verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Anlage zu erfassen. Die Differenziereinrichtung 81 gibt das Geschwindigkeitssignal V(t) an einen Pol B2 des Schalters 80 (S2) aus.

Der Schalter 80 (S2) gibt in seiner Regelungsposition (d. h. verbunden mit den Polen B1 und B2) das Positionsfehlersignal Pe(t) und das Geschwindigkeitsfehlersignal V(t) an einen digitalen Controller 82 aus. Der digitale Controller 82 bewirkt die Regelung, indem er ein Regelungs-Erregungssignal an den Schalter 73 (S1) zur Feinabstimmung der Position des Motors ausgibt, um den Positionsfehler Pe(t) im wesentlichen auf Null zu bringen bzw. unter einen vorbestimmten Fehlerschwellenwert.

Die Motorregelungseinheit aus 8 enthält ferner eine Speichereinheit 83 zum Speichern von Positions- und Geschwindigkeitsinformationen. Eine iterative Lern-Regeleinheit 84 ist mit dem Ausgang der Speichereinheit 83 verbunden. Die iterative Lern-Regeleinheit 84 berechnet Veränderungen an Parametern des Steuerungsbefehls basierend auf den Positionsfehler- und Geschwindigkeitsmessungen des gegenwärtigen Taktes und basierend auf Steuerungsbefehlparametern, die für den gleichen Positionsschritt in einem oder mehreren vorangehenden Takten verwendet wurden. Das heißt, dass die iterative Lern-Regeleinheit 84 unter Verwendung entweder der lernenden Regelung oder der repetitiven Regelung Anpassungen an dem Steuerungsbefehls basierend auf Anpassungen festlegt, die während vorangehender Takte beim Bewegen des Motors in die gleiche Position, in die der Motor in dem gegenwärtigen Takt bewegt werden soll, durchgeführt wurden. Die iterative Lern-Regeleinheit 84 enthält eine Parameterberechnungseinheit 85, die die Parameter &Dgr;A und &Dgr;S basierend auf dem Geschwindigkeits- V(t) und Positionsfehler- Pe(t) -Signal berechnet, wie vorstehend in den Gleichungen 10 und 11 gezeigt. Die Parameter &Dgr;A und &Dgr;S werden in ein Addierglied 86a und ein Subtrahierglied 86b eingegeben, und der Ausgang des Addierglieds 86a und des Subtrahierglieds 86b wird an Verstärker 87a und 87b angelegt, um gemäß den nachfolgend angeführten Gleichungen 12 und 13 eine Verstärkung K anzulegen. Subtrahierglieder 88a und 88b empfangen die Ausgänge von Verstärkern 87a bzw. 87b und subtrahieren Steuerungsbefehlparameter, die in einem vorhergehenden Takt verwendet wurden. Hier werden die Ausgänge der Verstärker 87a und 87b von dem maximalen und dem minimalen Amplitudenwert Amax bzw. Amin jeweils abgezogen, die in dem vorhergehenden Takt verwendet wurden. Diese Amplitudenwerte von dem vorhergehenden Takt werden als Amax(alt) bzw. Amin(alt) bezeichnet. Die vorhergehenden Parameter Amax(alt) bzw. Amin(alt) werden in einem Speicher 89 gespeichert und von diesem ausgegeben. Die Subtrahierglieder 88a und 88b geben neue Steuerungsparameter aus, hier Amax(neu) bzw. Amin(neu), die dann in dem Speicher 89 zur Verwendung in einem nachfolgenden Takt gespeichert werden und in den Impulsgenerator 72 zur Verwendung bei der Anpassung des nächsten Steuerungsbefehls eingegeben werden.

Betrieb der Motorregelungsvorrichtung unter Verwendung der iterativen lernenden Regelung

Die Motorregelungsvorrichtung aus 8 arbeitet wie nachfolgend in Verbindung mit dem Zeitablaufdiagramm in 9 beschrieben.

  • A. Die Steuerungsamplituden des ersten Taktes werden wie in dem Abschnitt über die Berechnung des ersten Taktes beschrieben berechnet und angewandt, sodass die Ausgaben Amin(alt) und Amax(alt) in 8 während des ersten Taktes von den Zeitpunkten t0 bis t1 0 sind. Der Takt beginnt damit, dass die Befehlseingabeeinheit 70 zum Zeitpunkt t0 das Schritteingabebefehlssignal ausgibt, wie in 9 gezeigt. Der Zeitfolgegenerator 71 erzeugt am Zeitpunkt t0 ein Steuerungs-Schrittbefehlssignal, wie in 9 gezeigt, das dem Impulsgenerator 72 auslöst, sodass er das Zweipunkt-Steuerungsbefehlsignal von t0 bis t1 erzeugt.
  • B. Am Ende jedes Steuerungs-Beschleunigungsbefehls aktiviert am Zeitpunkt t1 der Zeitfolgegenerator 71 ein an der Unterseite von 9 gezeigtes Schaltsignal S1. Dieses Signal steuert den Schalter 73 (S1) so, dass er sich zu Pol B bewegt, um es dem Servomotorstrom zu ermöglichen, sich während annähernd 4 elektrischer Zeitkonstanten einzuschwingen, um den Motorstrom zum Zeitpunkt des Schließens des Regelkreises zu verringern. Diese Reduzierungszeit des Motorstroms ist in 9 als Zeit von t1 bis t2 gezeigt.
  • C. Am Zeitpunkt t2 aktiviert der Zeitfolgegenerator 71 ein Schaltsignal S2, das an der Unterseite von 9 gezeigt ist, um den Schalter 80 (S2) zu veranlassen, dass er in die Regelkreisposition (Pol B) schaltet. Der Positionsfehler und die Geschwindigkeit beim Schließen des Regelkreises werden gemessen und in dem Speicher 83 gespeichert. Es sei angemerkt, dass die gewünschte Endgeschwindigkeit Null ist, sodass Geschwindigkeit und Geschwindigkeitsfehler identisch sind.
  • D. Die Korrekturen werden von Zeitpunkt t3 bis t4 berechnet, nachdem eine zusätzliche Einschwingperiode von t2 bis t3 verstrichen ist. Die Korrekturen werden gemäß Gleichungen (10) und (11) berechnet. Die maximale und die minimale Amplitude für den nächsten Takt des Zweipunktsteuerungsbefehls werden gemäß Gleichungen (12) und (13) berechnet: NeuMaxAmpl = AltMaxAmpl – K·(&Dgr;A + &Dgr;S)(12) NeuMinAmpl = AltMinAmpl – K·(–&Dgr;A + &Dgr;S)(13)

Die Abläufe B, C und D werden für jeden Schritt in den Takten wiederholt, wie von dem Zeitpunkt t0 bis zum Ende des Taktes/Anfang des nächsten Taktes T + t0 dargestellt.

Von den linearen Berechnungen, um von dem gegenwärtigen Positionsfehler und der Geschwindigkeit zu einem Positionsfehler Null und Geschwindigkeit Null zu gelangen, muss der positive Impuls des Zweipunkteingabebefehls um (&Dgr;A + &Dgr;S) vermindert werden und muss der negative Impuls des Zweipunkteingabebefehls um (–&Dgr;A + &Dgr;S) vermindert werden. K ist die Lern-Regelungsverstärkung und muss aus Gründen der Stabilität kleiner oder gleich 1 sein. Wenn K kleiner wird, nimmt die Anzahl der Lerntakte zu, aber der Algorithmus wird mit größeren Randbereichen stabilisiert. Repetitive und lernende Regelungstechniken, wie etwa die von Chew, K. und Tomizuka, M. in "Digital Control of Repetitive Errors in Disk Drive Systems", IEEE Control Systems Magazine, Seiten 16–20, Jan. 1990, und von Arimoto, S., Kawamura, S., Myazaki, F. und Tamaki, S. in "Learning Control Theory for Dynamical Systems", Proceedings of the 24th Conference on Decision and Control, IEEE, Seiten 1375–1380, Dezember 1985 beschriebenen, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, können auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Systemreaktion stabil bleibt.

Diese Abstimmung kann nach der anfänglichen Einstellung kontinuierlich sein, um durch Temperatur, Strahlung, Lagerverschleiß, Rastkräfte des Motors, Schwerkraft/Unwuchtmoment und andere Nichtlinearitäten bedingte Langzeiteffekte zu beseitigen.

Ergebnisse der Simulation

Ein Servomotor wurde modellhaft nachgebildet und ein symmetrischer Zweipunktsteuerungseingabebefehl (in Volt) wurde abgegeben. Eine Reihe von Simulationen wurde durchgeführt, um die Veränderung der Endposition und der Endgeschwindigkeit am Ende der Steuerung zu bestimmen, die durch eine Veränderung der Größe (|Amplitude|) der Eingabe verursacht wird. Ein Teil des Ergebnisses ist in 10 gezeigt. Sowohl die Veränderung der Endposition 90 als auch der Endgeschwindigkeit 91 waren über einen Bereich von !2 Volt recht linear und über den in 10 gezeigten kleineren Spannungsbereich sehr linear. Die Steigung der Veränderung der Endposition (2712 &mgr;Radianten/Volt) ergibt die Konstante a in Gleichung (8). Die Steigung der Veränderung der Endgeschwindigkeit (–0,020319 (rad/s)/Volt) ergibt die Konstante c in Gleichung (9).

Eine zweite Reihe von Simulationen wurde durchgeführt, um die Veränderung der Endposition und der Endgeschwindigkeit am Ende der Steuerung zu bestimmen, die durch eine Veränderung der Fläche der Zweipunktsteuerungseingabe verursacht wurde. Bei einer zeitsymmetrischen Zweipunkteingabe mit festgelegter Zeit t, wenn eine Konstante C sowohl zu der negativen als auch zu der positiven Amplitude addiert wird, wird die Fläche um C·t erhöht. In ähnlicher Weise wird dann, wenn eine Konstante K sowohl von der positiven als auch von der negativen Amplitude subtrahiert wird, die Fläche um K·t vermindert. Somit kann die Veränderung der Fläche als Veränderung der Amplitude der Zweipunkteingabe gemessen werden. 11 zeigt das Resultat dieser Simulationen. Die Steigung der Veränderung der Endposition 100 (6549 &mgr;Radianten/Volt) ergibt die Konstante b in Gleichung (8) und die Steigung der Veränderung der Endgeschwindigkeit 101 (0,4349 (rad/s)/Volt) ergibt die Konstante d in Gleichung (9).

Das Lösen der Gleichungen (8) und (9) ergibt die Konstanten in Gleichungen (10) und (11), wobei e = 331,34, f = 4,9901, g = 15,482 und h = 2,0664. Wenn die aus den Gleichungen (10) und (11) berechneten Werte für &Dgr;A und &Dgr;S in Gleichungen (12) und (13) verwendet werden, um die neue maximale und minimale Amplitude in dem Lern-Regelungsalgorithmus mit einer Lern-Verstärkung von 0,75 zu berechnen, ist das Ergebnis eine rasche Konvergenz der Endposition auf die gewünschte Position. Dies ist in 12 für zwei Anfangs-Zweipunktwellenformen gezeigt. Die erste Anfangs-Zweipunktwellenform 110 verwendet einen positiven Impuls von +24 Volt und einen negativen Impuls von 20 Volt, was die Ausgabe über die gewünschte Position hinaus schiebt (zweiter Takt, d. h. der erste Lern-Takt). Die zweite Anfangs-Zweipunktwellenform 111 verwendet einen positiven Impuls von +18 Volt und einen negativen Impuls von –18 Volt, der die gewünschte Endposition nicht erreicht (zweiter Takt, d. h. erster Lern-Takt). Die beiden Anfangs-Ausgaben konvergieren rasch auf die gewünschte Endposition in acht Takten (konvergierte Ausgaben 113 und 114 in dem dritten Takt (zweiter Lern-Takt)). Die durchgezogene Linie 112 in 12 stellt die Resultate der endgültigen Zweipunkteingabe nach sieben Lern-Takten dar, wobei der Servofehler weniger als ein &mgr;Radiant/Volt ist.

Die Endgeschwindigkeit, die das Resultat dieser Eingaben ist, ist in 13 gezeigt. Die Endgeschwindigkeit konvergiert nach acht Lern-Takten gegen Null. Die endgültige Beschleunigung nähert sich auch Null an, wenn für 4 elektrische Zeitkonstanten nach dem Ende des Zweipunkteingabebefehls keine Eingabe angelegt wird. In 13 stellen die Linien 120 und 121 die Geschwindigkeit dar, wenn die Anfangs-Zweipunkteingabe so gewählt wird, dass der Servo über die gewünschte Endposition hinaus fährt. Die Linie 120 zeigt die Geschwindigkeit für den zweiten Takt (erster Lern-Takt) und die Linie 121 zeigt die Geschwindigkeit für den dritten Takt (zweiter Lern-Takt). Die Linien 122 und 123 stellen die Geschwindigkeit dar, wenn die Anfangs-Zweipunkteingabe so gewählt wird, dass der Servo die gewünschte Endposition nicht erreicht. Die Linie 122 zeigt die Geschwindigkeit für den zweiten Takt (erster Lern-Takt) und die Linie 123 zeigt die Geschwindigkeit für den dritten Takt (zweiter Lern-Takt). Die durchgezogene Linie 124 in 13 stellt die Ergebnisse der abschließenden Zweipunkteingabe nach sieben Lern-Takten dar, wobei die Geschwindigkeit weniger als 3 × 10–5 Radianten/s ist.

Die Erfindung erfüllt den Bedarf für eine rasche Bewegung mit geringen Restschwingungen in Regelsystemen, während die Spitzenleistung minimiert wird. Die Kombination der Berechnung der Steuerungsamplituden des ersten Taktes, die Verwendung von linearen Gleichungen zur Bestimmung der repetitiven Korrekturen und die kontinuierliche Abstimmung der Steuerungsamplituden unter Verwendung der repetitiven/lernenden Regelung sind einzigartig. Die Steuerungsbewegung ist rasch und effizient und die Amplituden der Zweipunktsteuerungseingabe werden basierend auf der Position und der Geschwindigkeit angepasst, wenn der Regelkreis geschlossen wird.

Obgleich die Erfindung im Hinblick darauf beschrieben wurde, dass die Amplituden eines Zweipunktbefehlsignals angepasst werden, können auch andere Arten von Anpassungen an dem Steuerungsbefehlssignal unter Verwendung der iterativen lernenden Regelung durchgeführt werden. Beispielsweise kann die relative Breite der beiden Abschnitte des Zweipunktsteuerungssignals angepasst werden, um Anlagenpositionsfehler zu korrigieren. Wie 14 zeigt, ist der typische Zweipunktsteuerungs-Beschleunigungseingabebefehl um den in 14 mit t1/2 bezeichneten Mittelpunkt symmetrisch. Der Übergangspunkt zwischen dem positiven Amplitudenabschnitt und dem negativen Amplitudenabschnitt des Zweipunkteingabebefehls kann jedoch um ein Ausmaß &Dgr;t entweder in die negative oder die positive Richtung bewegt werden. Dies ist in 14 gezeigt, wobei der Positiv-Negativ-Übergangspunkt des Zweipunkteingabebefehlssignals angepasst wird, sodass er entweder t1/2 – &Dgr;t oder t1/2 + &Dgr;t ist. Der Parameter &Dgr;t kann gemäß den vorstehend erörterten Prinzipien zum Bestimmen der Amplitudenveränderung oder Amplitudenverschiebung eines Eingabebefehlssignals bestimmt werden. Das Ergebnis der Veränderung der Übergangszeit in einem Zweipunktsteuerungssignal ist die Veränderung der Fläche des Befehlsignals, um die Bewegung der Anlage anzupassen. Somit kann durch Verwendung der iterativen lernenden Regelung die Übergangszeit des Zweipunkteingabebefehls auf der Basis einer derartigen lernenden Regelung eingestellt werden, um Restschwingungen bei der Bewegung einer Anlage zu minimieren.

Die vorliegende Erfindung hat neben der Verwendung in Wettersatellitensystemen zahlreiche industrielle Anwendungen. Beispielsweise können die hier beschriebenen Prinzipien in automatisierten Herstellungsumgebungen verwendet werden, wo Roboterregelung bei der Durchführung von präzisen, wiederholbaren Bewegungen verwendet wird. Ferner kann die Erfindung beispielsweise in automatisierten Montagevorrichtungen, bei der Herstellung von integrierten Schaltungen, bei maschinellen Sequenziereinrichtungen und bei der elektronischen Anordnung für die Schaltungsplatinenmontage eingesetzt werden. Es versteht sich, dass die Erfindungen in vielen anderen Anwendungen verwendet werden kann, bei welchen eine präzise und repetitive periodische Punkt-zu-Punkt-Bewegung erforderlich ist.

Es versteht sich, dass die Erfindung in der Praxis unter Verwendung von Computer-programmierbaren Vorrichtungen umgesetzt werden kann und mit der Verwendung von Hardware und/oder Software, die so gestaltet ist, dass sie gemäß den vorliegenden Beschreibungen arbeitet. Beispielsweise versteht es sich, dass die hier beschriebenen Betriebsabläufe unter Verwendung eines Computerprogramms durchgeführt werden können, das auf einem computerlesbaren Medium vorliegt, wobei das Computerprogramm Programmbefehle enthält, die eine Computervorrichtung veranlassen, die hier beschriebenen Betriebsabläufe auszuführen.

Nachdem bevorzugte Ausführungsformen von Motorregelungsverfahren und -systemen beschrieben wurden, ist davon auszugehen, dass andere Modifikationen, Variationen und Veränderungen dem Durchschnittsfachmann unter Berücksichtigung der hier dargelegten Lehre nahegelegt werden. Es versteht sich daher, dass davon auszugehen ist, dass alle derartigen Variationen, Modifikationen und Veränderungen in den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen. Obgleich hierin bestimmte Begriffe verwendet werden, werden sie nur in gewöhnlicher und gebräuchlicher Weise verwendet, sofern nicht ausdrücklich anderweitig definiert, und nicht zum Zweck der Einschränkung.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Regeln eines Motors (75), enthaltend:

    einen Steuerungsbefehlgenerator, der so konfiguriert ist, dass er einen Steuerungsbefehl zum Bewegen des Motors erzeugt;

    einen Regelungs-Controller (82), der so konfiguriert ist, dass er einen Regelungsbefehl zum Bewegen des Motors erzeugt, um einen aus dem Steuerungsbefehl resultierenden Fehler in der Bewegung zu korrigieren; und

    eine Lern-Regeleinheit (84), die so konfiguriert ist, dass sie den Steuerungsbefehl basierend auf dem Fehler in der Bewegung des Motors anpasst, welche Lern-Regeleinheit eine Speichereinheit (89), in der ein Regelungsbefehl-Kennwert von einem Regelungsbefehl aufgezeichnet ist, der zum Bewegen des Motors in einem vorhergehenden Takt verwendet wurde, eine Berechnungseinheit (85), die so konfiguriert ist, dass sie einen Parameter zum Anpassen des Steuerungsbefehls basierend auf dem erfassten Fehler berechnet, und einen Steuerungsbefehl-Charakteristikgenerator enthält, der mit der Speichereinheit (89) und der Berechnungseinheit gekoppelt ist und einen Steuerungskennwert durch Verändern der Steuerungsbefehl-Charakteristik von der Speichereinheit (89) basierend auf dem berechneten Parameter erzeugt;

    eine Schalteinheit (73), die eine Steuerungs- (A) und eine Regelungsposition (B) hat und die so konfiguriert ist, dass sie den Steuerungsbefehl zum Steuern des Motors ausgibt, wenn sie in die Steuerungsposition geschaltet ist, und den Regelungsbefehl zum Regeln des Motors ausgibt, wenn sie in die Regelungsposition geschaltet ist; und

    einen Zeitfolgegenerator (71), der mit der Schalteinheit verbunden ist und ein Steuerungs-Zeitgebungssignal ausgibt, um die Schalteinheit (73) so zu steuern, dass sie in die Steuerungsposition (A) schaltet, und eine Regelungs-Zeitgebungssignal ausgibt, um die Schalteinheit so zu steuern, dass sie in die Regelungsposition (B) schaltet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend:

    einen Sensor (77), der so konfiguriert ist, dass er die Bewegung des Motors ansprechend auf den Steuerungsbefehl abtastet; und

    eine Fehlererfassungseinheit (78), die so konfiguriert ist, dass sie den Fehler aus der abgetasteten Bewegung des Motors erfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, bei welcher die Berechnungseinheit (85) so konfiguriert ist, dass sie Parameter &Dgr;A und &Dgr;S berechnet, wobei &Dgr;A eine Größenveränderung der Amplitude des Steuerungsbefehls ist und &Dgr;S eine Bereichsveränderung des Steuerungsbefehls ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher &Dgr;A = e·&Dgr;Pf + f·&Dgr;Vf und &Dgr;S = g·&Dgr;Pf + h·&Dgr;Vf, wobei e, f, g, und h Konstanten sind, &Dgr;Pf eine Veränderung der Endposition zwischen der Endposition, wenn die Regelschleife in dem Takt geschlossen wird, in dem der Steuerungsbefehl angewandt wird, und der Endposition ist, wenn die Regelschleife in einem vorhergehenden Takt geschlossen wird, und &Dgr;Vf eine Veränderung der Endgeschwindigkeit zwischen der Endgeschwindigkeit, wenn die Regelschleife in dem Takt geschlossen wird, in dem der Steuerungsbefehl angewandt wird, und der Endgeschwindigkeit ist, wenn die Regelschleife in einem vorhergehenden Takt geschlossen wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Steuerungsbefehls-Charakteristikgenerator (84) den Steuerungs-kennwert gemäß NeuMaxAmpl = AltMaxAmpl – K·(&Dgr;A + &Dgr;S) NeuMinAmpl = AltMinAmpl – K·(–&Dgr;A + &Dgr;S) erzeugt,

    wobei AltMaxAmpl eine maximale Amplitude eines Steuerungsbefehls eines vorhergehenden Takts ist und NeuMaxAmpl eine minimale Amplitude eines Steuerungsbefehls des vorhergehenden Takts ist und K ein Verstärkungsfaktor ist.
  6. Verfahren zum Regeln eines Motors (75), enthaltend:

    Steuern des Motors (75) in der Art einer Steuerkette unter Verwendung eines Steuerungsbefehls, um den Motor zu einer vorbestimmten Stelle zu bewegen, wobei der Steuerungsbefehl ausgegeben wird, wenn eine Schalteinheit (73) ansprechend auf ein Steuerugs-Zeitgebungssignal in eine Steuerungsposition geschaltet wird;

    Regeln des Motors in der Art einer geschlossenen Regelschleife unter Verwendung eines Regelungsbefehls, um Fehler in der Steuerung zu korrigieren; wobei der Regelungsbefehl ausgegeben wird, wenn eine Schalteinheit (73) ansprechend auf ein Regelungs-Zeitgebungssignal in eine Regelungsposition (B) geschaltet wird;

    Bestimmen von Fehlern in einer Position und Geschwindigkeit des Motors basierend auf der Regelung; und

    Bestimmen, auf der Basis der Positions- und Geschwindigkeitsfehler, einer Anpassung an die Größe einer Amplitude des Steuerungsbefehls zur Verwendung in einer nachfolgenden Steuerung des Motors, wobei das Bestimmen einer Anpassung an die Größe der Amplitude des Steuerungsbefehls das Berechnen, auf der Basis der bestimmten Fehler, eines Parameters zur Verwendung bei der Anpassung der Größe der Amplitude des Steuerungsbefehls und das Anpassen der Größe der Amplitude des Steuerungsbefehls basierend auf dem berechneten Parameter einschließt, wobei der berechnete Parameter eine Amplitudenänderung &Dgr;A ist, die gemäß &Dgr;A = e·&Dgr;Pf + f·&Dgr;Vf berechnet wird, wobei e und f Konstanten sind, &Dgr;Pf eine Veränderung der Endposition des Motors auf einen Regelungsvorgang folgend und der Endposition des Motors nach Vollendung eines Regelungsvorgangs in einem vorhergehenden Takt ist, und &Dgr;Vf eine Veränderung der Endgeschwindigkeit des Motors auf die Regelung folgend und der Endgeschwindigkeit des Motors nach Vollendung eines Regelungsvorgangs in dem vorhergehenden Takt ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Steuerungsbefehl ein Bang-Bang-Befehlssignal ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, ferner enthaltend das Erzeugen eines nachfolgenden Steuerungsbefehls, der die angepasste Amplitude hat.
  9. Verfahren zum Regeln eines Motors nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der berechnete Parameter eine Verschiebung des Bereichs des Steuerungsbefehls ist.
Es folgen 14 Blatt Zeichnungen






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