DE102005025536A1 - Mobile machine used as a hydraulic driven excavator comprises a unit for generating traveling and working movement, devices for measuring the position and/or the speed of working hinges and pressure sensors - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulisch angetriebene Erdbaumaschinen, wie Eingefäß-Lademaschinen (Unstetiglader), Eingefäßbagger (z.B. Universalbagger) und Flachbagger (z.B. Planiermaschinen), und ein Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung, das an diesen Arbeitsmaschinen angewendet wird.The The invention relates to mobile working machines, in particular hydraulically powered earthmoving machinery, such as inlet loading machines (discontinuous loaders), backhoes (for example, general purpose excavators) and flat dredgers (for example, leveling machines), and a method of earth and bulk material movement to this Machinery is applied.
Hydraulisch angetriebene Erdbaumaschinen sind Lademaschinen und Bagger, die über einen Dieselmotor, ein Fahrwerk, eine Arbeitsausrüstung und ein Werkzeug zum Laden, Schaufeln oder Greifen verfügen. Die Geräte zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie über hydraulische Antriebselemente verfügen, mobil eingesetzt werden und für Erd- und Schüttgutbewegungen verwendet werden.hydraulic Powered earthmoving machines are loaders and excavators that have one Diesel engine, a landing gear, a working equipment and a tool to Loading, shoveling or gripping. Draw the devices particular characterized by the fact that they have hydraulic drive elements dispose, mobile be used and for Earth and bulk material movements be used.
Beim Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine setzt sich der Arbeitszyklus oft aus sich wiederholenden Arbeitsvorgängen zusammen. Wird beispielsweise ein Universalbagger mit einem Tieflöffelwerkzeug für das Anlegen eines Schachtes eingesetzt, werden folgende Arbeitsschritte vollzogen: Füllen des Grabgefäßes, Heben und Senken des Auslegers, Hin- und Rückschwenken des Oberwagens und Entleeren des Grabgefäßes. Diese Abläufe werden im wesentlichen wiederholt, bis das gewünschte Aushubprofil erreicht ist. Eine effiziente und positionsgenaue Arbeitsbewegung erfordert vom Bediener ein hohes Maß an Konzentration und Erfahrung.At the Operation of a mobile work machine continues the work cycle often composed of repetitive operations. For example a universal excavator with a bucket tool for mooring used a shaft, the following steps are performed: To fill of the grave vessel, lifting and lowering the boom, swinging back and forth of the superstructure and emptying the grave vessel. These procedures are essentially repeated until the desired Aushubprofil achieved is. An efficient and accurate working movement requires from the operator a high level Concentration and experience.
Im
Stand der Technik sind eine Vielzahl von Automatisierungslösungen für diese
Arbeitszyklen bekannt. So wird beispielsweise in der
Des
weitern ist bekannt, dass die Steuerungsgüte bei diesen automatisierten
Arbeitszyklen in Kontaktsituationen des Werkzeuges, wie z.B. beim
Graben oder Greifen, abnehmen kann. Die Kontaktkräfte können auch
zur Beschädigung
oder gar Zerstörung
des Arbeitsgerätes,
z.B. bei einer Kollision, führen.
Hierzu ist aus der
Jedoch wird in dem bekannten Stand der Technik nicht berücksichtigt, dass bei den genannten Arbeitsschritten Lastschwingungen entstehen, da die einzelnen Gelenke eine Armflexibilität aufweisen, die Ölhydraulik in einem gewissen Umfang kompressibel ist, Fahrwerke entweder über eine gefederte Aufhängung verfügen oder eine elastische Struktur aufweisen, wie es z.B. bei einem mit Luftdruck gefüllten Reifen der Fall ist, oder durch Abstützungselemente eine zusätzliche Verwindungselastizität des Fahrzeugchassis verursacht wird. Insbesondere bei mobilen Fahrzeugen werden infolge von Fahrbahnunebenheiten und schnellen Lastwechsel betriebsbedingte Schwingungen angeregt. Andererseits werden Schwingungen auch durch äußere Störeinflüsse, wie beispielsweise durch das Entleeren des Grabwerkzeugs, verursacht. Schwingungen äußern sich in Wank-, Nick- und Hubbewegungen und können zu Maschinenschäden führen. Zudem mindern Schwingungen den Bedienkomfort und werden vom Fahrer oft als störend empfunden.however is not considered in the known state of the art, that load oscillations occur during the said work steps, because the individual joints have an arm flexibility, the oil hydraulics is compressible to a certain extent, either over a landing gear spring-loaded suspension feature or have an elastic structure, e.g. at one with Filled with air pressure Tire is the case, or by supporting elements an additional twist elasticity of the vehicle chassis is caused. Especially for mobile vehicles are due to road bumps and fast load changes operational vibrations excited. On the other hand, vibrations also by external disturbances, like for example, by emptying the digging tool caused. Vibrations express themselves in rolling, pitching and lifting movements and can lead to machine damage. moreover Vibrations reduce the ease of use and are often by the driver as disturbing felt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine mobile Arbeitsmaschine und ein Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung bereitzustellen, mit denen es gelingt, ganze Arbeitszyklen oder Teile davon zu automatisieren, wobei auftretende Schwingungen und/oder Kontaktkräfte berücksichtigt werden, um eine höhere und gleichbleibendere Produktivität bei geringerer Qualifikation des Bedieners, eine höhere Sicherheit am Arbeitsplatz und eine geringere physische und psychische Belastung der Menschen im Arbeitsprozess zu erreichen.task Therefore, the present invention is a mobile work machine and to provide a method of earth and bulk material movement, with which it is possible to automate entire work cycles or parts thereof, taking into account occurring vibrations and / or contact forces become a higher one and more consistent productivity with less qualification of the operator, a higher Safety at work and less physical and psychological To reach the burden of people in the work process.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6.According to the invention succeeds the solution This object with the features of claims 1 and 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erd- und Schüttgutbewegung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the mobile working machine according to the invention and the method of the invention for earth and bulk material movement are in the subclaims specified.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The The invention is explained in more detail below with reference to drawings. In show the drawings:
Erfindungsgemäß wird die
Fahr- und Arbeitsbewegung einer mobilen Arbeitsmaschine mit Hilfe
eines Bahnplaners generiert und mittels eines Trajektorienfolgereglers
umgesetzt, wobei der Bahnplaner halbautomatische und automatische
Grundzüge
besitzt (
Wird der Bahnplaner im halbautomatischen Modus betrieben, kann ein Bediener die Geschwindigkeit und die Richtung einer automatisierten (Teil)aufgabe vorgeben, oder die einzelnen Gelenkstellungen manuell ansteuern.Becomes the path planner operated in semi-automatic mode, an operator can the speed and direction of an automated (part) task pretend or manually control the individual joint positions.
Die bei den genannten Arbeitsmaschinen entstehenden Lastschwingungen werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer Zustandrückführung aktiv gedämpft, wobei das Verfahren zur Schwingungsdämpfung mit dem oben beschriebenen Trajektorienfolgeregler kombiniert wird. Die Schwingungszustände werden mit geeigneten Sensoren gemessen oder mit einem Beobachtungsalgorithmus geschätzt.The in the said work machines resulting load oscillations be according to the invention with the help a state feedback active steamed, wherein the method of vibration damping with the above-described Trajektorienfolgeregler is combined. The vibrational states become measured with suitable sensors or with an observation algorithm estimated.
Liegt eine Kontaktsituation des Arbeitsgerätes vor, wie z.B. beim Graben oder beim Greifen, kann die Regelgüte der Trajektorienfolgeregelung abnehmen. Zudem können Kontaktkräfte, z.B. bei einer Kollision, das Arbeitsgerät zerstören. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß eine unterlagerte Kraftregelung eingesetzt. Hierbei werden die Antriebsaktuatoren jeweils mit zwei Ölförderstromeinheiten versehen. Beispielsweise wird der Differentialzylinder des Stielzylinders eines Universalbaggers mit zwei 3/3-Wegeventilen betrieben. Daraus ergibt sich ein Mehrgrößensystem, so dass sich neben der Kraftregelung das Druckniveau im Zylinder der zwei Kammerdrücke als zusätzliche Regelgröße definieren lässt. Dabei wird der Öldruck in jeder Zylinderkammer separat geregelt, woraus sich aus der Druckdifferenz die vorgegebene Zylinderkraft ergibt. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass mit einer reinen Kraftreglung das Greifen oder das Graben gezielt und sicher durchgeführt werden kann. Beim Greifen wird z.B. die nötige Greif- und Haltekraft vom Kraftregler exakt umgesetzt. Auf der anderen Seite kann auch der Trajektorienfolgeregler mit dem unterlagerten Kraftregler kombiniert werden, so dass sich störende Kontaktkräfte im Sinne einer Vorwärtsaufschaltung und damit im Sinne einer aktiven Kompensation eliminieren lassen.Lies a contact situation of the implement, such as digging or when gripping, the control quality of the Trajektorienfolgeregelung lose weight. In addition, you can Contact forces, e.g. in a collision, destroy the implement. That's why According to the invention a subordinate Force control used. Here are the drive actuators each with two oil flow units Mistake. For example, the differential cylinder of the stem cylinder a universal excavator with two 3/3-way valves operated. It results a multivariate system, so that in addition to the force control, the pressure level in the cylinder the two chamber pressures as additional Define controlled variable leaves. This is the oil pressure separately regulated in each cylinder chamber, resulting from the pressure difference gives the given cylinder force. The advantage is to be seen in that with a pure power regulation the grasping or digging targeted and safely done can be. When gripping, e.g. the necessary gripping and holding force exactly implemented by the force controller. On the other hand, too the trajectory sequence controller combined with the subordinate force controller be so disturbing contact forces in the sense of a forward connection and thus eliminate it in the sense of active compensation.
Weiterhin liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass beim Graben ein Beobachter zur Schätzung der Grabkraft eingesetzt werden kann. Diese geschätzte Grabkraft wird dann zur Kompensation verwendet, so dass die überlagerte Bahnregelung ein gutes Folgeverhalten aufweist. Zudem können durch den Einsatz des Beobachters sicherheitsrelevante Situationen erkannt werden.Farther it is also within the scope of the invention that when digging an observer to estimate the Digging force can be used. This estimated grave force will then become Compensation used so that the superimposed orbit control has good follow-up behavior. In addition, through the use of the observer safety-relevant situations are detected.
1. Modellbildung:1. Modeling:
Die
Bauart der Antriebsmaschine sowie die Arbeitsausrüstung bestimmen
die Anzahl der hydraulisch angetriebenen Gelenkfreiheitsgrade. Eingefäßbagger
verfügen
in der Regel über
einen schwenkbaren Oberwagen, über
einen beweglichen Ausleger in verschiedenen Konstruktionsvarianten
und über
einen Unterwagen mit Rad- oder Kettenfahrwerk (
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung basiert auf der Grundidee, das dynamische und statische Verhalten des mechanischen und hydraulischen Systems der Arbeitsmaschine in einem physikalischen Modell nachzubilden. Dabei wird zunächst ein Starrköpermodell z.B. mit Hilfe des Lagrange-Formalismus für die räumliche Bewegung der Gelenke aufgestellt: The inventive method for earth and bulk material movement is based on the basic idea that dy to simulate namic and static behavior of the mechanical and hydraulic system of the working machine in a physical model. First of all, a rigid body model is set up with the help of the Lagrangian formalism for the spatial movement of the joints:
Hierbei sind:
- M
- Massenmatrix
- q
- Vektor der Gelenkwinkel und Gelenkpositionen
- C
- Kraft- und Momentenmatrix der Coriolis- und Zentrifugaleffekte
- G
- Matrix der Gravitationskräfte und Gravitationsmomente
- u
- Antriebskräfte und Antriebsmomente
- M
- mass matrix
- q
- Vector of joint angles and joint positions
- C
- Force and moment matrix of the Coriolis and centrifugal effects
- G
- Matrix of gravitational forces and gravitational moments
- u
- Driving forces and drive torques
Gleichung (1) beschreibt den dynamischen und statischen Bewegungsablauf der Gelenke in Abhängigkeit der eingeprägten Antriebskräfte und Antriebsmomente, die mit Hilfe von ölhydraulischen Energiewandlern wie Hydromotoren oder Hydrozylindern aufgebracht werden.equation (1) describes the dynamic and static movement of the Joints in dependence the imprinted driving forces and drive torques, with the help of oil-hydraulic energy converters such as hydraulic motors or hydraulic cylinders are applied.
Wie
bereits eingangs erwähnt,
entstehen beim Betrieb der Arbeitsmaschinen Lastschwingungen, da die
einzelnen Gelenke eine Armflexibilität aufweisen und die Ölhydraulik
in einem gewissen Umfang kompressibel ist. Deshalb wird das mechanische
System mit starren Modellkörpern
und diskreten Elastizitäten
und Dämpfungen
modelliert (
Hierbei sind:
- δ
- Vektor der Elastizitätsfreiheitsgrade
- D
- Vektor der Schwingungsdämpfung
- K
- Vektor der Federkonstanten der rückstellenden Kraft oder des Moments
- δ
- Vector of elasticity degrees of freedom
- D
- Vector of vibration damping
- K
- Vector of spring constant of restoring force or moment
Die einzelnen Elemente von K können als Federkonstante veranschaulicht werden, die zum einen die Biegung und zum anderen die Kompressionserscheinung der Ölhydraulik umfasst. Dabei wird die rückstellende Kraft um einen Arbeitspunkt linearisiert. Die gesamte Federkonstante eines Gelenks kann demnach als Reihenschaltung der Federkonstanten der Ölkompression und Federkonstanten der Armflexibilität berechnet werden: The individual elements of K can be illustrated as spring constant, which includes on the one hand the bending and on the other hand the compression phenomenon of the oil hydraulics. The restoring force is linearized by one operating point. The total spring constant of a joint can therefore be calculated as a series connection of the spring constants of the oil compression and spring constants of the arm flexibility:
ci ist die resultierende Federkonstante eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,i' . Die Variablen ci_Bieg und ci_Komp sind die Federkonstanten der Armbiegung und der Ölkompression. Je nach Systemkonfiguration können weitere Elastizitätserscheinungen an Relevanz gewinnen. Beispielsweise trägt ein nicht verwindungssteifes Chassis zu einer zusätzlichen Elastizitätsfreiheitsgröße. Formel (3) wird dabei entsprechend erweitert.c i is the resulting spring constant of an exemplary joint with the index 'i'. The variables c i_bieg and c i_Komp are the spring constants of the arcing and oil compression. Depending on the system configuration, further elasticity phenomena may become more relevant. For example, a non-rigid chassis adds extra elasticity. Formula (3) is extended accordingly.
Bei
der Verwendung eines hydraulischen Zylinders kann das Antriebsmoment
des entsprechenden Gelenks bestimmt werden, indem die geometrische
Anlenkkinematik von Gelenk und Zylinder mit einem Anlenkkoeffizienten
berücksichtigt
wird:
ui ist das Moment eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,i', FZyli ist die Zylinderkraft und ϕi(qi) ist der Anlenkkoeffizient in Abhängigkeit des Gelenkwinkels. Wird ein Differenzialzylinder mit nur einer Förderstromquelle beaufschlagt, ergibt sich die Zylinderkraft zu: u i is the moment of an exemplary joint with the index 'i', F Zyli is the cylinder force and φ i (q i ) is the coupling coefficient as a function of the joint angle. If a differential cylinder with only one delivery source is applied, the cylinder force results in:
pzyli ist der Druck im Zylinder (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), Azyli ist die Querschnittsfläche des Zylinders (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), β ist die Ölkompressibilität, Vzyli ist das Zylindervolumen (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), Qi ist der Förderstrom eines unterlagerten Förderstromreglers und Ki ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuersignal yi der geregelten Förderstromeinheit beschreibt. Dynamische Effekte der Förderstromeinheit werden vernachlässigt. Die Variablen zi, z .i beschreiben die Position bzw. die Geschwindigkeit der Zylinderstange und hängen von der Anlenkkinematik ab.p cyli is the pressure in the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side), A zyli is the cross-sectional area of the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side), β is the oil compressibility, V zyli is the cylinder volume (depending on the direction of movement piston-cylinder. or ring side), Q i is the flow rate of a lower-level flow controller and K i is the proportionality constant, which describes the relationship between flow and control signal y i of the controlled flow unit. Dynamic effects of the flow unit are neglected. The variables z i , z. i describe the position or speed of the cylinder rod and depend on the linkage kinematics.
Wird ein Differenzialzylinder mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt, ergibt sich die Zylinderkraft zu: If a differential cylinder is charged with two independent flow sources, the cylinder force results in:
Gleichung (6) unterscheidet sich von Gleichung (5) lediglich darin, dass die Ring- und Stirnseite des Zylinders mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt wird. Hierbei umfasst das beispielhaft betrachtete Gelenk ,i' die zwei Eingangsgrößen yring_i und ystirn_i.Equation (6) differs from equation (5) only in that the ring and end face of the cylinder is subjected to two independent flow sources. In this case, the joint i considered by way of example comprises the two input quantities y ring_i and y stirn_i .
Ein hydraulischer Antriebsmotor wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben: A hydraulic drive motor is described by the following equations:
uj ist das Moment eines exemplarischen Gelenks mit dem Index ,j', ij ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Motordrehzahl und Antriebsgeschwindigkeit des Gelenks, Vj ist das Schluckvolumen der Hydraulikmotoren, Δpj ist der Druckabfall über dem hydraulischen Antriebsmotor, β ist die Ölkompressibilität, φ .Motj bezeichnet die Motordrehzahl, Qj ist der Förderstrom im Hydraulikkreis und Kj ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuerspannung yj der geregelten Förderstromeinheit angibt. Dynamische Effekte der Förderstromregelung werden vernachlässigt. Das Moment uj in Gleichung (7) kann mit dem Hebellängenübersetzungsverhältnis in die resultierende Antriebskraft umgerechnet werden, wie es z.B. beim Fahrantrieb nötig ist.u j is the moment of an exemplary joint with the index 'j', i j is the gear ratio between engine speed and drive speed of the joint, V j is the displacement of the hydraulic motors, Δp j is the pressure drop across the hydraulic drive motor, β is the oil compressibility, φ. Motj indicates the engine speed, Q j is the flow rate in the hydraulic circuit and K j is the proportionality constant that indicates the relationship between flow rate and the control voltage y j of the regulated delivery flow unit. Dynamic effects of flow control are neglected. The moment uj in equation (7) can be converted into the resultant drive force with the lever length ratio, as is necessary, for example, in the traction drive.
Wird der Hydraulikmotor mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt, ergibt sich das Moment zu: If the hydraulic motor is supplied with two independent flow sources, the moment will be:
Gleichung (8) unterscheidet sich von Gleichung (7) lediglich darin, dass der Einlasskanal und der Auslasskanal des Motors mit zwei unabhängigen Förderstromquellen beaufschlagt wird. Hierbei umfasst das beispielhaft betrachtete Gelenk ,j' die zwei Eingangsgrößen yEin_j und yAus_j.Equation (8) differs from equation (7) only in that the intake passage and the exhaust passage of the engine are supplied with two independent flow sources. In this case, the joint, j 'considered as an example, comprises the two input quantities y Ein_j and y Aus_j .
Die
Bewegungsgleichung (1) und (2) beschreiben eine freie Bewegung der
Antriebsmaschine. Kontaktsituationen, wie sie z.B. beim Graben auftreten,
werden hierbei nicht berücksichtigt.
Als Krafteinleitpunkte sind einerseits die hydraulischen Antriebsaggregate
für das
Drehen des Baggers und der Baggerarme als auch die auftretenden
Kräfte
beim Eindringen der Baggerschaufel in das Erdreich zu berücksichtigen
(
Werden Arm- und Ölhydraulikelastizitäten berücksichtigt, wird Gleichung (2) zu: If arm and oil hydraulic elasticities are considered, equation (2) becomes:
Die Variable u Kontakt(q) bezeichnet hierbei allgemein die auf die Antriebsmaschine einwirkenden externen Kontaktkräfte oder Kontaktmomente, die z.B. beim Graben auftreten.The variable u contact ( q ) generally designates the external contact forces or contact torques acting on the drive machine, which occur, for example, during trenching.
Zur Beschreibung der externen Kräfte oder Momente wird ein physikalisches Modell für die verschiedenen Kontaktsituationen hinterlegt. Beispielhaft sei das Grabkraftmodell näher aufgeführt, wenn ein Tieflöffel als Arbeitswerkzeug zum Einsatz kommt. Dabei wird davon ausgegangen, dass an den Elementen des Grabwerkzeugs folgende Komponenten wirken:
- • Eindringwiderstand an der Grundschneide und an den Seitenwänden
- • Reibungswiderstand an den Seitenwänden und Seitenschneiden
- • Penetration resistance on the base cutting edge and on the side walls
- • Frictional resistance on the sidewalls and side cutting
Die Schnittkraft, die der Eindringwiderstand an der Grundschneide verursacht, kann mit der folgenden Formel beschrieben werden: The cutting force caused by the penetration resistance at the base cutter can be described by the following formula:
Hierbei sind:
- Fein_Schneide
- Schnittkraft an der Schneide
- ϛf
- Erdstoffdichte fest
- h
- Schnitttiefe (Spandicke)
- b
- Breite des Erdstoffkeils
- g
- Erdbeschleunigung
- ϑ
- Abbruchwinkel (Neigungswinkel der Abbruchfläche)
- φ
- Reibungswinkel im Erdstoff (innerer Reibungswinkel)
- φSt
- Reibungswinkel Erdstoff-Schneide (Stahl)
- α
- Freiwinkel
- γ
- Schüttwinkel
- F ein_Schneide
- Cutting force at the cutting edge
- f
- Earth density tight
- H
- Cutting depth (chip thickness)
- b
- Width of the earth wedge
- G
- acceleration of gravity
- θ
- Abbruchwinkel (inclination angle of the demolition area)
- φ
- Friction angle in the earth (internal friction angle)
- φ St
- Friction angle of ground cutting edge (steel)
- α
- clearance angle
- γ
- angle of repose
Bei der Bestimmung der Reibungskraft, die von den Seitenschneiden verursacht wird, wird davon ausgegangen, dass vor der Seitenschneide ein muschelförmiger Erdstoffköper entsteht, der unmittelbar vor der Stirnfläche einen Erdstoffkeil bildet. Die Schnittkraft ergibt sich nach der Bedingung eines passiven Erddruckmodells zu: When determining the frictional force caused by the side cutting edges, it is assumed that a shell-shaped element of earth material is created in front of the side cutting edge, which forms a bulky earth wedge directly in front of the face. The cutting force results from the condition of a passive earth pressure model:
Hierbei sind:
- FEin_Seite
- Schnittkraft an der Seitenschneide
- V
- Volumen des Erdstoffkeils als Funktion der Schnitttiefe
- δ
- Schnittwinkel
- F one_page
- Cutting force at the side cutting edge
- V
- Volume of the wedge of the soil as a function of the depth of cut
- δ
- cutting angle
Reibungskräfte an den
Seitenwänden
und an den Seitenschneiden werden anteilig in eine Coulombreibung
und in eine viskose Reibung unterteilt:
Hierbei sind:
- FReib_Seite_Schneide_coul
- coulombsche Reibungskraft
- FReib_Seite_Schneide_visk
- viskose Reibungskraft
- FN
- Normalkraft aus dem passiv wirkenden Erddruck als Funktion der Schnitttiefe
- μC
- Reibungskoeffizient der Coulombreibung
- μV
- Reibungskoeffizient der viskosen Reibung
- z
- Anzahl der beteiligten Seitenwände
- v
- Schnittgeschwindigkeit
- F Reib_Seite_Schneide_coul
- coulombic frictional force
- F Reib_Seite_Schneide_visk
- viscous frictional force
- F N
- Normal force from the passive earth pressure as a function of the depth of cut
- μ C
- Coefficient of friction of coulomb friction
- μ V
- Coefficient of friction of viscous friction
- z
- Number of side walls involved
- v
- cutting speed
Die
gesamte Grabkraft erfolgt aus der Addition der oben aufgeführten Anteile:
Für Planierschilde und andere Werkzeugtypen lassen sich nach den oben aufgeführten Prinzipien entsprechende Grabkraftmodelle herleiten. Im wesentlichen hängt die Grabkraft von der Gelenkwinkelstellung und von erdstoff- und werkzeugtypabhängigen Parametern ab: For bulldozer shields and other types of tools, it is possible to derive corresponding excavation force models according to the above principles. Essentially, the digging force depends on the joint angle position and on parameters dependent on soil and tool type:
Dabei beinhaltet der Vektor P alle Parameter des Grabkraftmodells.The vector P contains all parameters of the digging force model.
Zur Beschreibung der externen Kontaktkräfte oder -momente kann alternativ dazu ein Beobachter eingesetzt werden, der die erwähnten Größen schätzt. Grundlage hierzu bietet die Zustandsraumdarstellung (10). Ergänzend dazu wird die Kontaktkraft über ein geeignetes statisches oder dynamisches Modell beschrieben. Basierend darauf wird die Gleichung (10) erweitert. Im einfachsten Fall kann die Grabkraft als stückweise konstant angenommen werden. Um die Grabkraft möglichst exakt modellieren zu können, wird der dynamische Vorgang des Grabens physikalisch beschrieben, mit Hilfe von Differentialgleichungen dargestellt und anschließend an die Bewegungsgleichung (10) gekoppelt. Der zeitliche Verlauf der Grabkraft lässt sich als Funktion von Systemzuständen der erweiterten Systemdifferentialgleichung beschreiben. Die Aufgabe des Beobachters liegt darin, diese zur Rekonstruktion erforderlichen Zustände zu schätzen. Dazu wird das dynamische Modell mit einem geeigneten Algorithmus auf einem Rechner implementiert, so dass eine numerische Simulation des Systemverhaltens vorliegt. Anschließend wird der Schätzfehler ermittelt, mit einer geeigneten Matrix gewichtet und dem Simulationsmodell als zusätzliche Eingangsgröße aufgeschalten, so dass der Schätzfehler asymptotisch gegen Null konvergiert. Dabei wird der erwähnte Schätzfehler aus der Differenz des gemessenen und der durch die numerische Auswertung beobachteten Zustände gebildet. Wesentlich ist hierbei, dass nicht die kompletten Systemzustände gemessen werden müssen, sondern mit Hilfe der beschriebenen Methode nur Zustände benötigt werden, die messtechnisch zur Verfügung stehen. Beispiele hierzu sind Messungen des Gelenkwinkels, des Antriebsdrucks und/oder Messungen der elastischen Bewegungsfreiheitsgrade. Diese werden zusammen mit den Systemeingangsgrößen in der Beobachtungsstruktur verarbeitet, so dass die Zustände zur Beschreibung der Grab- oder Kontaktkraft geschätzt werden können.to Description of the external contact forces or moments may alternatively to an observer can be used, who appreciates the mentioned sizes. basis the state space representation (10) offers this. Additional to the contact force is over described a suitable static or dynamic model. Based then the equation (10) is extended. In the simplest case can the grave force as piecewise be accepted constantly. To model the digging force as accurately as possible can, the dynamic process of digging is physically described, represented by differential equations and then on coupled the equation of motion (10). The temporal course of the Grave left itself as a function of system states describe the extended system differential equation. The task of the observer lies therein, these required for the reconstruction conditions appreciate. This is done using the dynamic model with a suitable algorithm implemented on a machine, making a numerical simulation the system behavior is present. Subsequently, the estimation error determined, weighted with a suitable matrix and the simulation model as additional Input size switched on, so the estimation error asymptotically converged to zero. In this case, the mentioned estimation error from the difference between the measured and the numerical evaluation observed conditions educated. It is essential that not the complete system conditions are measured Need to become, but with the help of the described method only states are needed the metrologically available stand. Examples include measurements of the joint angle, the drive pressure and / or measurements of elastic degrees of freedom of movement. These be together with the system inputs in the observation tree processed, so the states be estimated to describe the grave or contact force can.
2. Automatisierungs- und Regelungsstruktur:2. Automation and Control structure:
Die folgende beschriebene Automatisierungsaufgabe beschränkt sich auf hydraulisch angetriebene Mobilbagger, die den Erdgewinnungs- und Erdladungsprozess im Stand durch alleiniges Bewegen ihrer Arbeitsausrüstung ausführen. Ziel ist es dabei, den Bediener zu entlasten und bei schwankender Qualifikation eine gleichbleibende Produktivität sicherzustellen. Dieser Betrieb wird im folgenden als halbautomatischer Betrieb bezeichnet.The The following described automation task is limited hydraulically driven wheeled excavators and carry out the earth-loading process by moving their work equipment by themselves. aim is it to relieve the operator and a fluctuating qualification one consistent productivity sure. This operation will be described below as semi-automatic Operation designated.
Im vollautomatischen Betrieb wird dieses Konzept um ein übergeordnetes Bahnplanungsmodul erweitert. In diesem Betriebsmodus werden dann Missionen definiert, die das Bahnplanungsmodul selbstständig in koordinierte Bewegungsabläufe umsetzt.in the fully automatic operation, this concept is a parent Railway planning module extended. In this mode of operation will then Defined missions that independently coordinated the railway planning module movements implements.
Das Ziel besteht darin, dieses Gerät mit dem erfindungsgemäß beschriebenen System auszurüsten, um bestimmte Klassen der Erdbewegung automatisch durchführen zu können. Automatisierte Standortwechsel des Baggers werden nicht vorgesehen. Das Automatisierungskonzept umfasst drei Ausbaustufen:
- 2.1 Trajektorienfolgeregelung der Arbeitsgelenke
- 2.2 Trajektorienfolgeregelung mit aktiver Schwingungsdämpfung
- 2.3 Kraftregelung mit oder ohne zuschaltbaren Trajektorienfolgeregler auch bei Kontaktsituation (z.B. beim Graben)
- 2.1 Trajectory succession control of the working joints
- 2.2 Trajectory Sequence Control with Active Vibration Damping
- 2.3 Force control with or without switchable trajectory sequence controller even in contact situations (eg when digging)
Die Referenztrajektorie der Arbeitsgelenke für die Bahnregelung wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines Bahnplaners berechnet. Hierbei verfügt das Modul über zwei Betriebsarten: den vollautomatischen Betrieb und den halbautomatischen Betrieb. Beim Letzt genannten Modus steuert der Bediener das Arbeitswerkzeug manuell hinsichtlich einer wählbaren Trajektorie. Dabei synchronisiert das Bahnplanungsmodul den Spielablauf der Antriebsgelenke derart, dass das Arbeitswerkzeug die gewünschte Bahn einnimmt, wobei der Bediener von Hand ein zur gewünschten Geschwindigkeit proportionales Signal (z.B. per Joystick) des Werkzeuges vorgibt. Aus dieser Information werden die zeitlich indizierten Gelenkpositionen und höheren Ableitungen wie Gelenkgeschwindigkeit, -beschleunigung und -ruck unter der Berücksichtigung von kinematischen und dynamischen Beschränkungen des verwendeten Arbeitsgerätes berechnet. Mögliche Mehrdeutigkeiten der Lösung werden dadurch vermieden, indem kinematische oder dynamische Zwangsbedingungen berücksichtigt werden, die z.B. auf der Basis einer Zeit- oder Energieoptimierung fußen. Beispielhaft sei der Vorgang des Ebnens mit einem Bagger näher erläutert. Die Aufgabe besteht dabei darin, das Höhenprofil von bestimmten Flächenabschnitten zu begradigen. Dabei kann es sich um horizontale oder um schräg anzulegende Flächen handeln. Der Bediener gibt mit Hilfe seines Steuerkommandos die Geschwindigkeit und die Richtung des Werkzeugs vor. Der Bahnplaner im halbautomatischen Betrieb berechnet daraus die synchronisierten Referenzgelenkwinkel des Auslegers, dass die Ladeschaufel eine im Höhenprofil linienförmige radiale Bewegung ausübt. Wird für die Aufgaben ein Flachbagger (z.B. Planiermaschinen) verwendet, wird für das Fahrwerk (wie Lenkwinkel- und Fahrgeschwindigkeit) eine Referenzbahn geplant und die zeitlich indizierte Auslegerstellung derart berechnet, dass im Weltkoordinatensystem das gewünschte Höhenprofil zustande kommt.The Reference trajectory of the working joints for the web control is inventively using calculated by a railroad planner. The module has two Operating modes: fully automatic operation and semi-automatic operation. In the latter mode, the operator controls the work tool manually with regard to a selectable Trajectory. The path planning module synchronizes the gameplay of the Drive joints such that the working tool the desired path takes the operator by hand to the desired Speed proportional signal (e.g., via joystick) of the tool pretends. From this information, the time indexed Joint positions and higher Derivatives such as joint speed, acceleration and pressure under consideration calculated from kinematic and dynamic limitations of the implement used. Possible Ambiguities of the solution thereby avoided by kinematic or dynamic constraints considered which are e.g. based on time or energy optimization are based. By way of example, the process of leveling with an excavator will be explained in more detail. The The task consists in the height profile of certain surface sections to straighten. It can be horizontal or oblique to be applied surfaces act. The operator uses his control command to enter the Speed and the direction of the tool. The railway planner in semi-automatic operation calculates the synchronized Reference joint angle of the jib that the loading shovel has an in height profile linear exerts radial movement. Will for the Duty a flat excavator (for example, leveling machines) is used for the Chassis (such as steering angle and driving speed) a reference track planned and calculated the temporally indicated boom position such that in the world coordinate system the desired height profile comes about.
Im wesentlichen unterscheidet sich der Bahnplaner für den vollautomatischen Betrieb zum halbautomatischen Betrieb darin, dass die Bewegung des Werkzeugs automatisch, also ohne Bedienervorgabe, geplant wird. Hierzu wird überlagert der gewünschte Positionsverlauf des Werkzeugs auf der Basis der Arbeitsaufgabe oder anhand einer abgespeicherten Bahn (Teach-In) sequenziell extrahiert und die dazu benötigte Gelenkposition berechnet. Auch hier werden mögliche Mehrdeutigkeiten der Lösung dadurch vermieden, indem kinematische oder dynamische Zwangsbedingungen berücksichtigt werden. Zudem wird die Bewegung der Gelenke unter der Berücksichtigung von maximalen dynamischen und kinematischen Begrenzungen berechnet. Hierzu werden Softwaremodule zum automatischen Graben, Umschlagen und Entleeren entwickelt. Die Funktionen können vom Bediener einzeln oder kombiniert ausgewählt werden.in the Essentially, the railway planner differs for fully automatic operation for semi-automatic operation in that the movement of the tool automatically, without operator input, is planned. For this purpose is superimposed the desired one Position history of the tool based on the work task or extracted sequentially using a stored path (teach-in) and the required joint position calculated. Again, possible Ambiguities of the solution thereby avoided by kinematic or dynamic constraints considered become. In addition, the movement of the joints is under consideration calculated from maximum dynamic and kinematic limits. For this purpose, software modules for automatic trenching, handling and emptying developed. The functions can be individually or individually by the operator combined selected become.
Automatisches Graben:Automatic digging:
Speziell für gering qualifizierte Arbeiter ist der Vorgang des eigentlichen Grabens eine zeitaufwendige Aufgabe, da die Arbeitsgelenke des Baggerarms hinsichtlich einer Vermeidung von Füllungsverlusten synchronisiert gesteuert werden müssen. Zudem ist die Lage des Bodenabtrags vom Bediener oft schlecht einsehbar. Dies erfordert eine Einweisung durch zusätzliches Personal. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft, eine automatische Grabfunktion zu entwickeln. Basierend auf der gewünschten Grabtiefe, berechnet ein Bahnplanungsmodul die zeitindizierte Bewegung von Stiel- und Löffelzylinder gemäß einer maximalen Reiß- und Losbrechkraft. Des Weiteren muss selbständig erkannt werden, wann die Schaufel mit Erdreich gefüllt ist, so dass die Umschlagsbewegung eingeleitet werden kann.specially for low skilled labor is the process of actually digging a time-consuming task as the working joints of the excavator arm synchronized with respect to avoiding filling losses need to be controlled. In addition, the location of the soil removal by the operator is often difficult to see. This requires a briefing by additional staff. From these establish it is advantageous to develop an automatic grave function. Based on the desired Digging depth, a path planning module calculates the time-indexed motion handle and spoon cylinder according to a maximum tear and breakout power. Furthermore, it must be independently recognized when the Shovel filled with soil is, so that the envelope movement can be initiated.
Automatischer Umschlag:Automatic envelope:
Die Umschlagsbewegung des Baggers besteht aus überlagerten Teilbewegungen des Baggerarms und des Oberwagens. Damit der Fahrer entlastet und die Baggerleistung gesteigert wird, ist die Entwicklung einer Funktion zum automatisierten Spielablauf der Schwenk- und Rückschwenkbewegung vorgesehen. Dabei wird die Referenzbewegung der Antriebsgelenke mit einem Bahnplanungsmodul berechnet. Bei den Umschlagsaktionen handelt es sich um eine synchronisierte Bewegung des Baggerarms und des Drehwerks.The The envelope movement of the excavator consists of superimposed partial movements the excavator arm and the superstructure. So that the driver relieves and the dredging performance is increased, is the development of a function to the automated game play the pan and Rückschwenkenbewegung intended. This is the reference movement of the drive joints calculated with a path planning module. In the envelope operations it is a synchronized movement of the excavator arm and the spin mechanism.
Das vom Bahnplaner generierte Signal Q Ref umfasst im halb- und im vollautomatischen Betrieb die Referenzgelenkstellung sowie deren Ableitung bis zu einer gewünschten Ordnung n: The signal generated by the path planner Q Ref includes in semi-automatic and fully automatic operation, the reference joint position and its derivative up to a desired order n:
2.1 Trajektorienfolgeregelung der Arbeitsgelenke:2.1 Trajectory Succession the working joints:
Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren zur Erd- und Schüttgutbewegung einen Trajektorienfolgeregler. Hierbei werden die Stellsignale der hydraulischen Antriebseinheiten derart berechnet, dass zum einen die Gelenkstellungen bahngenau der geplante Bahn Q Ref folgen und zum anderen das Arbeitswerkzeug hinsichtlich Störungen, wie externe Kräfte oder Modellfehler, stabilisiert wird. Das Regelungsmodul stützt sich auf ein flachheitsbasiertes Entwurfsverfahren, dass in der Literatur oft als „Computed Torque Method" beschrieben wird. Dabei wird in der Bewegungsgleichung (1) die Gelenksbeschleunigung als neuen Eingang v gesetzt und folgendermaßen berechnet: According to the invention, the method for earth and bulk material movement includes a trajectory sequence controller. Here, the control signals of the hydraulic drive units are calculated in such a way that on the one hand follow the joint positions ground exactly the planned path Q ref and on the other the work tool with respect to disturbances such as external forces or model errors, is stabilized. The control module relies on a flatness-based design method that is often described in the literature as a "computed torque method." In the equation of motion (1), the joint acceleration becomes set as new input v and calculated as follows:
Die Vektoren K D und K P präsentieren die Regelparameter, die beispielsweise mit einer Polvorgabe bestimmt werden. Dabei werden die Pole des Polvorgabepolynoms so gewählt, dass das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell arbeitet und die Stellgrößenbeschränkungen bei typisch auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht werden. Wird Gleichung (17) in Gleichung (1) mit der Bedingung eingesetzt, lässt sich das für die Bewegung und Stabilisierung notwendige Moment bzw. Kraft u Ref wie folgt berechnen: The vectors K D and K P present the control parameters, which are determined, for example, with a pole specification. The poles of the pole specification polynomial are selected so that the system is stable, the control operates sufficiently fast and the manipulated variable limitations are not achieved with typically occurring control deviations. Is equation (17) in equation (1) with the condition The moment or force u Ref required for the movement and stabilization can be calculated as follows:
Die Gelenkpositionen und die Gelenkgeschwindigkeit werden entweder mit einer geeigneter Sensorik am Gerät gemessen oder beobachtergestützt geschätzt. Das Referenzmoment bzw. die Referenzkraft u Ref stellen die hydraulischen Antriebssysteme zur Verfügung. wird ein Zylinderantrieb verwendet, ergibt sich mit Gleichung (4) und (5): die inverse Anlenkkinematik. Hierbei ist Fzyl_Refi die Sollkraft des Zylinders an einem beispielhaft isoliert betrachteten Gelenk ,i'. Der dafür benötigte Öldruck wird mit der Druckgleichung von Formel (5) folgendermaßen approximiert: The joint positions and the joint speed are either measured with a suitable sensor on the device or estimated by observers. The reference torque or the reference force u Ref are provided by the hydraulic drive systems. If a cylinder drive is used, this is given by equation (4) and (5): the inverse articulated kinematics. In this case, F zyl_Refi is the nominal force of the cylinder on a joint, i 'considered as an example, isolated. The required oil pressure is approximated with the pressure equation of formula (5) as follows:
Der beanspruchte Ölförderstrom QRef_i wird nach Gleichung (5) von einer geregelten unterlagerten Förderstromeinheit zur Verfügung gestellt. Damit kann das Stellsignal mit Hilfe von Formel (5), (19) und (20) umgeformt werden The claimed oil flow Q Ref_i is provided by equation (5) from a regulated subordinate flow unit. Thus, the control signal with the aid of formula (5), (19) and (20) can be transformed
Wird ein Gelenk mit einem hydraulischem Motor betrieben, wird das Stellsignal der unterlagerten Förderstromeinheit ausgehend von Formel (7) und äquivalent zu Gleichung (19) bis (21) berechnet, und ergibt sich bei einem Gelenk mit dem Index ,j' zu: If a joint is operated with a hydraulic motor, the control signal of the subordinate flow unit is calculated from formula (7) and equivalent to equations (19) to (21), and results in a joint with the index 'j':
2.2 Trajektorienfolgeregelung mit aktiver Schwingungsdämpfung:2.2 Trajectory Succession with active vibration damping:
Grundsätzlich bieten sich 2 grundlegende Entwurfsverfahren an: die dezentrale parameterveränderliche Zustandsregelung und die flachheitsbasierte Trajektorienfolgeregelung.Basically offer 2 basic design procedures: the decentralized variable-parameter Condition control and the flatness based trajectory tracking.
Je nach Ausprägung der Nichtlinearitäten und der Systemkonditionierung kann der eine oder andere Ansatz vorteilhaft sein. Die Regler sollen nach festegelegten Kriterien (bspw. Polvorgabe) parametrisiert werden können. Für die Bodenkontaktsituation werden Umschaltregeln einer Impedanzregelung entwickelt. Je nach Systemkonfiguration kann bei geschickter Formulierung des Problems als MIMO System neben der Position die Kraft als Regelgröße genutzt werden. Ziel der Schwingungsdämpfung ist die aktive Kompensation der Last- oder Geräteschwingung, die aufgrund von mechanischen und hydraulischen Elastizitätserscheinungen auftreten. Die Grundidee beruht dabei auf einer Rückführung der Systemzustände und einem Algorithmus, der daraus die Antriebsstellgrößen berechnet und eine schwingungsfreie Trajektorienfolgeregelung der referenzierten Bahn gewährleistet. Dazu werden mechanische Verformungen mit geeigneten Sensoren gemessen oder beobachtergestützt anhand von messbaren Systemzuständen geschätzt. Die Verformungszustandsgrößen können dabei aus mehreren Anteilen bestehen, die beispielsweise durch Armelastizitäten der Auslegerteilstücke, durch Verwindungsverformung des Chassis, durch die gefederte Fahrwerksaufhängung, durch Verformungserscheinungen der Fahrwerksräder, und durch Ölkompressionselastizitäten der Aktuatoren oder der Abstützung verursacht werden. Erfindungsgemäß werden diese Zustände mit geeigneten Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Ultraschallsensoren, Laserscannern, Inertialsensoren usw. gemessen. Grundsätzlich tritt dabei das Problem auf, dass einzelne Zustandsgrößen nicht messbar sind. Zugängliche Messgrößen sind in der Regel die Achspositionen. Problematischer sind die Biegungen in den Auslegerarmen, die prinzipiell erfindungsgemäß mit Hilfe eines Beobachters rekonstruiert werden können. Weitere Messgrößen sind die Drucksignale in den hydraulischen Steuerkreisen. Aus Kostengründen werden diese ebenfalls beobachtergestützt rekonstruiert.ever according to expression of nonlinearities And system conditioning can be beneficial to one way or another be. The controllers should be set according to defined criteria (eg pole specification) can be parameterized. For the Ground contact situation become switching rules of an impedance control developed. Depending on the system configuration can be clever formulation of the problem as MIMO system next to the position the force is used as a controlled variable become. Target of vibration damping is the active compensation of load or device vibration due to of mechanical and hydraulic elasticity phenomena occur. The basic idea is based on a feedback of the system states and an algorithm that calculates the drive manipulated variables from it and a non-vibrational trajectory tracking scheme of the referenced Rail guaranteed. For this purpose, mechanical deformations are measured with suitable sensors or observer supported based on measurable system states estimated. The deformation state variables can thereby consist of several shares, for example, by elasticities of the Boom sections, by distortion deformation of the chassis, by the sprung suspension suspension through Deformation phenomena of the suspension wheels, and by oil compression elasticities of the Actuators or the support caused. According to the invention these states with suitable sensors such as strain gages, ultrasonic sensors, Laser scanners, inertial sensors, etc. measured. Basically occurs the problem on that individual state variables are not measurable. accessible Measured variables are usually the axle positions. More problematic are the bends in the cantilever arms, which in principle according to the invention with the help an observer can be reconstructed. Other parameters are the pressure signals in the hydraulic control circuits. For cost reasons will be this also reconstructed observer-based.
2.2.1 Nichtlineare Trajektorienfolgeregelung mit unterlagerter Zustandsrückführung2.2.1 Nonlinear Trajectory Sequence Control with subordinate status feedback
Ausgangspunkt bietet die Bewegungsgleichung (2). Dabei handelt es sich um ein sogenanntes unteraktuiertes System, da die Ordnung der Systemfreiheitsgrade (Gelenkpositionen und Elastizitätsfreiheitsgrade) größer als die Anzahl der Antriebselemente ist. Werden die Gelenkpositionen als sogenannter flacher Ausgang betrachtet, ist das System nicht differentiell flach. Der Regelungsentwurf wird erfindungsgemäß mit einer Eingangs-/Ausgangslinearisierung und einer gezielten Dämpfung der Restdynamik realisiert. Dazu wird das Modell (2) nach Isidori in die nichtlineare The starting point is the equation of motion (2). This is a so-called underactivated system because the order of system degrees of freedom (joint positions and degrees of elasticity) is greater than the number of drive elements. If the joint positions are considered as a so-called flat exit, the system is not differentially flat. The control design is realized according to the invention with an input / output linearization and a targeted damping of the residual dynamics. For this purpose, the model (2) after Isidori in the non-linear
Regelungsnormalform transformiert:Control normal form transformed:
Hierbei sind z1,i mit i = 1..n die Gelenkpositionen der Arbeitsmaschine. Der Index n entspricht der Anzahl der Antriebseinheiten. Der Index ri bezeichnet den relativen Grad des entsprechenden Teilsystems von (23). Der Vektor n präsentiert die Zustände der Nulldynamik, wobei die letzten Zeilen in Gleichung (23) das dynamische Verhalten der Nulldynamik beschrieben. Die Trajektorienfolgeregelung basiert auf den vorletzten Zeilen der Regelungsnormalform (23), da dort die Systemeingangsgrößen in Erscheinung treten. Dabei werden diese Gleichungen nach den Stellgrößen ui umgeformt und die Variable mit der höchsten Ableitungsordnung mit einem erweiterten Eingang ersetzt. Das Signal des erweiterten Eingangs wird mit Hilfe eines linearen Regelgesetzes und einem Vorsteuerungsanteil berechnet. Dabei werden Abweichungen der vorgegebenen Position und, je nach Systemkonfiguration, auch die Bahnfehler höhere Ableitungen berücksichtigt. Beispielhaft sei im folgenden das Gesetz der Trajektorienfolgeregelung angegeben, wenn jedes Teilsystem einen relativen Grad von drei besitzt: Here, z 1, i with i = 1..n are the joint positions of the working machine. The index n corresponds to the number of drive units. The index r i denotes the relative degree of the corresponding subsystem of (23). The vector n presents the states of zero dynamics, the last lines in equation (23) describing the dynamic behavior of the zero dynamics. The trajectory sequence control is based on the penultimate lines of the control normal form (23), since the system input variables appear there. These equations are transformed according to the manipulated variables u i and the variable with the highest derivative order is replaced with an extended input. The signal of the extended input is calculated by means of a linear control law and a pilot control component. Deviations from the given position and, depending on the system configuration, also the path errors higher derivations are taken into account. By way of example, the following is the law of Trajektorienfolggegelung indicated when each subsystem has a relative degree of three:
Dabei sind Ki die Regelparameter, die den Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfehler gewichten. Der dynamische Trajektorienfolgefehler kann mit folgender Gleichung beschrieben werden: Here, K i are the control parameters that weight the position, speed and acceleration error. The dynamic trajectory tracking error can be described by the following equation:
Die Regelparameter können mit einer Polvorgabe der gewünschten Regeldynamik berechnet werden. Die Stellsignale ui in Gleichung (24) werden nach dem schon erläuterten Prinzip (Gleichung (19) bis (22)) in das entsprechende Steuersignal der Förderstromeinheiten umgerechnet.The control parameters can be calculated with a pole specification of the desired control dynamics. The control signals u i in equation (24) are converted into the corresponding control signal of the flow units according to the already explained principle (equation (19) to (22)).
Die
Nulldynamik beschreibt im wesentlichen die unter Anwendung von Gleichung
(24) verbleibende Restschwingung. Da die Nulldynamikgleichungen
mit den Gelenkzuständen z verkoppelt sind, wird erfindungsgemäß diese
Restdynamik (23) gezielt gedämpft,
indem die Elastizitätszustände mit
einem Regelparameter gewichtet werden und im Sinne einer Gegenkopplung
ein Steuersignal der unterlagerten Förderstromeinheit des Antriebssystems
generiert wird:
Der Vektor Δy bezeichnet das Stellsignal der Förderstromeinheit, R ist der Regelparameter zur Vorgabe der Schwingungsdämpfung und δ bezeichnet die Elastizitätsfreiheitsgrade wie Biegewinkel oder/und Kompressionsverformungen der Ölhydraulik.The vector Δ y denotes the control signal of the flow unit, R is the control parameters for setting the vibration damping and δ denotes the elastic degrees of freedom such as bend angle and / or compression deformation of the hydraulic oil.
Die
Idee, das Schwingungsverhalten, das die Nulldynamik wiederspiegelt,
mit einer linearen Zustandsregelung zu dämpfen wird im folgenden an
einem einfachen Beispiel näher
erläutert.
Dabei ist es die Aufgabe, die horizontale Biegeschwingung eines
Monoblockausleger von einem Bagger mit Hilfe einer gezielten Drehbewegung
des Oberwagens zu dämpfen.
Die Struktur der Nulldynamik beschreibt folgende Differentialgleichung
für die
Biegungsgröße
RφD ist
der frei wählbare
Regelparameter zur Schwingungsdämpfung.
Das Förderstromsignal ΔyφD führt zu einem
proportionalen Förderstrom:
Dynamische
Effekte des Förderstromreglers
werden vernachlässigt,
lassen sich aber im allgemeinen durch eine entsprechende Modellanpassung
berücksichtigen.
Dabei wird die DGL (27) um einen dynamischen Anteil des Förderstromreglers
erweitert. Die Drehgeschwindigkeit des Oberwagens ist proportional
zum Förderstrom
Mit
der Proportionalitätskonstanten ζφD wird
damit der Beschleunigungsanteil zu:
Wird
Gleichung (31) in Gleichung (27) eingesetzt, führt dies auf
Die
resultierende Dämpfung
kann somit mit dem Regelparameter RφD verändert werden:
2.2.2 Dezentrale Regelung2.2.2 Decentralized control
Erfindungsgemäß kann zur
schwingungsgedämpften
Bahnregelung auch ein dezentrales Regelkonzept verwirklicht werden.
Dazu werden zunächst
die nichtlinearen Terme in der Bewegungsgleichung (2)undgeschätzt und
mittels einer Vorwärtsaufschaltung
kompensiert. In der Massenmatrix M(q,δ) wird
die Nichtlinearität
dadurch berücksichtigt,
dass q,δ als
veränderliche
Systemparameter eingehen. Dadurch wird ein adaptives System und
entkoppeltes System erreicht. Somit kann die Bewegungsgleichungen (2)
in n Teilmodelle gespalten werden:
Dabei
ist x i der
Zustandsvektor des i-ten Teilsystems, der im allgemeinen vier Zustände beinhaltet:
Gelenkposition, -geschwindigkeit, Positionszustand der Verformung
und Verformungsgeschwindigkeit. A i,B i,C i sind die System-, Eingangs- und Ausgangsmatrix
des i-ten Teilsystems. Erfindungsgemäß wird die schwingungsgedämpfte Bahnregelung
mit Hilfe eines robusten adaptiven Zustandsreglers und einem adaptiven
Steuerungsgesetz verwirklicht. Durch die Rückführung und durch die Vorsteuerung
verändert
sich Gl. (35) zu:
K i ist
die Matrix der Reglerverstärkungen
des Zustandsreglers mit den Einträgen k1i,
k2i, k3i, k4i. S i ist der Vorsteuerungsvektor, der die Sollbahn w i des
Gelenks i gewichtet, so dass ein genaues Bahnfolgeverhalten garantiert
wird. Das dynamische Verhalten des geregelten Systems wird durch
die Lage der Eigenwerte der Matrix A R = A i(q,δ) – B i(q,δ)K i, die zugleich
Pole der Übertragungsfunktion
im Frequenzbereich sind, bestimmt. Die Eigenwerte der Matrix können durch
Berechnung der Nullstellen bzgl. der Variablen s des charakteristischen
Polynoms p(s) aus der Determinante wie folgt bestimmt werden:
I ist die Einheitsmatrix.
Durch Rückführung der
Zustandsgrößen über die
Reglermatrix K i.
auf den Steuereingang können
diese Eigenwerte gezielt verschoben werden. Man fordert nun, dass
durch die Reglerverstärkungen
Gleichung (37) bestimmte Nullstellen einnimmt, um dadurch gezielt
die Dynamik des Systems zu beeinflussen, die sich in den Nullstellen
dieses Polynoms widerspiegelt. Dadurch ergibt sich eine Vorgabe für dieses
Polynom gemäß: wobei l die Systemordnung
ist, die mit der Dimension des Zustandsvektors gleichzusetzen ist.
Im Falle des Modells nach Gleichung (35) ist l = 4 und damit p(s):
Die Pole ri sind so zu wählen, dass das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird.The poles r i are to be selected so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not achieved with typical occurring control deviations.
Die Regelverstärkungen können nun durch Koeffizientenvergleich der Polynome Gleichung (37) und (39) bestimmt werden.The control gains can now by coefficient comparison of the polynomials equation (37) and (39) be determined.
Die Übertragungsfunktion des geregelten Teilsystems wird zu The transfer function of the controlled subsystem becomes
Wi(s) bezeichnet das in den Bildbereich transformiertes Ausgangssignal des i-ten Teilsystems. Zur Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen S i (KVi0 bis KVi4) wird die Übertragungsfunktion (41) um die Aufschaltung der Führungsgrößen erweitert: W i (s) denotes the output signal of the ith subsystem transformed into the image area. In order to calculate the pilot control amplifications S i (K Vi0 to K Vi4 ), the transfer function (41) is extended by the addition of the reference variables:
Ein ideales Systemverhalten bezüglich der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf. der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Systems (42) aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion identisch eins wird. Dies führt auf ein lineares Gleichungssystem, welches in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen KVi0 bis KVi4 aufgelöst werden kann. Dabei sind die Koeffizienten auch von den bekannten Reglerverstärkungen K i des Zustandsreglers abhängig. Da die Systemstruktur (35) wechselnde Parameter enthält, werden Zustandsregler und Vorsteuermatrix adaptiv berechnet und somit dem veränderlichen System angepasst. Die Stellsignale ui in Gleichung (36) werden nach dem schon erläuterten Prinzip mit Hilfe der Gleichungen (19) bis (22) in das entsprechende Steuersignal der Förderstromeinheiten berechnet.An ideal system behavior with regard to the position, the velocity, the acceleration, the jerk and, if necessary, the derivative of the jerk results precisely if the transfer function of the system (42) of feedforward control and transfer function becomes identical to one. This leads to a linear system of equations, which can be solved in analytical form for the desired pilot control gains K Vi0 to K Vi4 . The coefficients are also dependent on the known controller gains K i of the state controller. Since the system structure (35) contains changing parameters, state controller and precontrol matrix are adaptively calculated and thus adapted to the variable system. The control signals u i in equation (36) are calculated according to the already explained principle with the aid of equations (19) to (22) in the corresponding control signal of the flow units.
2.3 Kraftregelung mit oder ohne zuschaltbaren Trajektorienfolgeregler:2.3 force control with or without switchable trajectory sequencer:
Die approximierten Antriebsgleichungen (19) bis (20) beschreiben ein proportionales Verhalten von Sollkraft oder Sollmoment und dem dazu nötigen Eingangssignal der Förderstromeinheit. Dabei handelt es sich lediglich um eine Steuerung. Modellfehler und Modellunsicherheiten der Antriebseinheiten können deswegen zu Kraft- oder Momentfehlern führen. Dies kann sich mit einem schlechten Verhalten der Bahnregelung und mit einer langsamen Schwingungsdämpfung bemerkbar machen. Besonders bei Kontaktsituationen beeinflussen externe Kräfte das Folgeverhalten. Dies macht sich z.B. beim Graben dadurch bemerkbar, dass das Werkzeug zu langsam gräbt, oder das Werkzeug im Boden verklemmt. Auf der andern Seite ist oft bei einer Kontaktsituation eine Bahnregelung unerwünscht. Es wird häufig gefordert, dass das Werkzeug nur eine definierte Kraft auf die Umwelt ausübt, so dass z.B. sicherheitstechnische Richtlinien erfüllt werden.The Approximated driving equations (19) to (20) describe proportional behavior of desired force or nominal torque and that force Input signal of the delivery unit. This is just a control. model errors and model uncertainties of the drive units can therefore to force or Cause momentary errors. This can come with a bad behavior of the web regulation and with a slow vibration damping to make noticable. Especially affect in contact situations external forces the follow-up behavior. This makes itself e.g. noticeable when digging that the tool digs too slowly, or the tool jammed in the ground. On the other side is often in a contact situation, a track regulation undesirable. It becomes common demanded that the tool only have a defined force on the environment exerts so that e.g. safety guidelines are met.
Aus
diesen Gründen
wird erfindungsgemäß ein unterlagerter
Kraftregler für
die zu regelnden Gelenke der Arbeitsmaschine entwickelt. Dabei werden
am Arbeitsgerät
Aktuatoren mit jeweils zwei Förderstromeinheiten
versorgt. Handelt es sich um einen differentiellen Zylinder, wird
jede Zylinderkammer separat mit Hydrauliköl versorgt. Handelt es sich
um einen Motor, verfügt
jeweils der Einlass- und der Auslasskanal eine Versorgungseinheit.
Das Modell der Antriebseinheiten entspricht Gleichung (6) und (8)
und stellt ein Mehrgrößensystem
dar. Grundlage der Kraftregelung sind zwei Druckregler, die im folgenden
für einen
Differentialzylinder hergeleitet werden. Die Zylinderkraft eines
exemplarisch isolierten Antriebsgelenks mit dem Index ,i' ergibt sich nach
Gleichung (6) zu:
Dabei bezeichnet FRefi die Sollkraft des Zylinders, A1i und A2i sind die Stirn- und Ringflächen des Zylinders, und pRefi_1,pRefi_2 sind die Solldrücke, die auf die Stirn- und Ringflächen wirken. Da sich zum Bereitstellen einer Sollkraft eine Vieldeutigkeit der daraus resultierenden Drücke ergibt, wird eine zusätzliche Regelgröße eingeführt. Dabei kann es sich z.B. um einen Mitteldruck handeln, der sich wie folgt berechnen lässt: Here, F Refi denotes the target force of the cylinder, A 1i and A 2i are the end and annular surfaces of the cylinder, and p Refi_1 , p Refi_2 are the target pressures acting on the end and annular surfaces. Since there is an ambiguity of the resulting pressures to provide a desired force, an additional controlled variable is introduced. This can be, for example, a medium pressure, which can be calculated as follows:
Dabei
ist
Damit
der Druckverlauf ein gutes Folgeverhalten aufweist, werden die erweiterten
Eingänge
folgendermaßen
berechnet:
Dabei sind RDrucki_1 und RDrucki_2 die Regelparameter des Druckreglers. Die Kammerdrücke pi_1 und pi_2 werden mit geeigneten Sensoren gemessen oder mit Hilfe eines Beobachters geschätzt. Berücksichtigt man das proportionale Verhalten zwischen dem Eingangssignal des unterlagerten Förderstromreglers und des Fördervolumens (Gleichung (6)), resultiert das Ausgangssignal des Druckreglers unter Berücksichtigung von Gleichung (46) bis (48) zu: Here are R Drucki_1 and R Drucki_2 the control parameters of the pressure regulator. The chamber pressures p i_1 and p i_2 are measured with suitable sensors or estimated with the help of an observer. Taking into account the proportional behavior between the input signal of the secondary flow regulator and the delivery volume (equation (6)), the output of the pressure regulator, taking into account equations (46) through (48), results in:
Gleichung (49) präsentiert den nichtlinearen unterlagerten Kraftregler. Die Herleitung einer Momentregelung eines Motors erfolgt in analoger Weise. Der Vorteil liegt darin, dass eine gewünschte Kraft oder ein gewünschtes Moment schnell und genau am Arbeitsgelenk zur Verfügung gestellt wird.equation (49) presented the nonlinear subordinate force regulator. The derivation of a Moment control of a motor takes place in an analogous manner. The advantage is that a desired Force or a desired one Moment provided quickly and accurately at the work joint becomes.
Die
im Abschnitt 2.1 und 2.2 beschriebenen Verfahren lassen sich mit
der unterlagerten Kraftregelung verbessern. Zudem können Störkräfte gezielt
kompensiert werden. Beim Graben mit einem Mobilbagger oder beim
Planieren mit einer Raupe treten Kontakt- oder Grabkräfte auf,
die sich beim Abfahren der gewünschten Trajektorie
negativ bemerkbar machen. Um das Folgeverhalten zu verbessern, wird
bei dieser Art von Arbeitsvorgängen
die Kontaktkraft mit Hilfe des Grabkraftmodells (15) oder des beschriebenen
Grabkraftbeobachters berechnet. Anschließend werden diese geschätzten Anteile
im Sinne einer Vorwärtsaufschaltung
auf den Kraftregler geschalten und dadurch kompensiert. Ein weiterer
Vorteil einer unterlagerten Kraftregelung liegt darin, die Betriebssicherheit
des Arbeitsgeräts
zu erhöhen,
da mit Gleichung (43) die Kraft zwischen Arbeitsgerät und Umwelt
erfasst wird und zu Überwachungszwecken
eingesetzt werden kann. Stößt die Ladeschaufel
beispielsweise beim Graben auf ein Hindernis, führt dies unmittelbar auf eine
Druckerhöhung
im Antriebselement. Diese Information kann dazu verwendet werden,
den Grabvorgang zu unterbrechen. Zudem können Antriebselemente rein
kraftgeregelt betrieben werden. Der Vorteil liegt darin, dass das
Gerät auch
bei einer nicht beabsichtigten Kollision keinen Schaden erleidet,
da die Kraftregelung hinsichtlich externer Krafteinwirkungen nicht
rückkopplungsfrei
ist. In diesem Zusammenhang kann mit Hilfe der Wahl des Mitteldrucks
Dabei wird das Mitteldruckniveau so gewählt, dass eine Maximalkraft zu einer Stellgrößenbegrenzung des Kraftreglers führt. Alternativ dazu, kann auch der Grabkraftbeobachter für Überwachungszwecke eingesetzt werden. Aufbauend auf einer Wissensbasis, die die Grabkraft in Abhängigkeit der Klasse des Erd- oder Schüttgutes beinhaltet, kann die bei planmäßigen Erdbewegungen auftretende Kraft abgeschätzt werden. Liefert der Beobachter Werte, die außerhalb dieses Bereiches liegen, können sicherheitsrelevante Situationen wie das Anbaggern von Leitungen oder Kanalschächten erkannt, und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.there the medium pressure level is chosen so that a maximum force to a manipulated variable limit of Force controller leads. Alternatively, the digging observer can also be used for surveillance purposes be used. Building on a knowledge base, the digging power dependent on the class of earth or bulk material includes, can with scheduled earth movements estimated force occurring become. Does the observer provide values that are outside this range? can safety-relevant situations such as the dredging of cables or manholes detected, and appropriate action be initiated.
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