Assistenzsystem

In kritischen Situationen helfen Assistenzsysteme; dieses Prizip ist aus der Automobilbranche bekannt, gilt aber auch für die Hydraulik.

Die Inbetriebnahme hydraulisch geregelter Achsen ist oft eine zeitaufwendige und somit kostenintensive Tätigkeit, da ein solches System technologieübergreifend ist und nicht immer klar geregelt wurde, wer für das komplette System verantwortlich sein sollte. Es wird zwar immer wieder von intelligenten hydraulischen Achsen gesprochen, aber gleichzeitig wird die Komplexität soweit erhöht, dass nur noch der Experte sie durchschaut.

Wir alle kennen Assistenzsysteme aus modernen Autos, die dem Fahrer helfen, kritische Situationen leichter zu beherrschen. Was ist nun eine kritische Situation in der Hydraulik? Natürlich die Inbetriebnahme, insbesondere, wenn das System nicht vorab berechnet oder simuliert wurde. Mögliche Fehler, vom falsch montierten Rückschlagventil über Verrohrungs- beziehungsweise Verkabelungsfehler und Fehlauslegung (nicht geeignete Komponenten für die Anwendung) bis hin zu den fehlenden Informationen über das dynamische Systemverhalten, erlauben oft nur eine experimentelle Vorgehensweise, die dann sehr zeitintensiv ist.

Experimentieren kann eine intelligente Elektronik aber schneller, besser und immer nach demselben logischen Konzept. Das W.E.St.-Softwaremodul zur automatischen Inbetriebnahme analysiert das System und trifft die entsprechenden Entscheidungen, die dann zu einem zuverlässigen Systemverhalten führen. Es geht dabei weniger um die exakte dynamische Analyse des Systems. Diese ist nur bei der Einstellung der Regelparameter notwendig, die dann mit einem Fuzzy-Regler ähnlichem Konzept bewertet werden. Vielmehr geht es um die logischen Schritte bei der Inbetriebnahme und der Bewertung, wenn es zu einem unerwarteten Verhalten kommt. Betrachten wir also die Entwicklung zu diesem Assistenten und erste praktische Ergebnisse.

Problemstellung

Der Anwender, der Systemkonstrukteur oder der Applikationsingenieur hat einen hydraulischen Positionierantrieb ausgelegt, wie es oft passiert anhand von Erfahrungswerten und den verfügbaren Komponenten. Diese Tätigkeit ist nicht trivial, da die Hydraulik, die Messtechnik, die Elektronik und Kenntnisse über die Maschine beziehungsweise den Einsatzfall notwendig sind. Besonders bei kleinen Firmen gehört dies nicht zum Tagesgeschäft.

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Bild: © LambdaPhotography, Fotolia

Bei der Inbetriebnahme kommt es dann zu der Situation, dass der Antrieb nicht zufriedenstellend arbeitet und keiner wirklich weiß warum. Sind es handwerkliche Fehler, konstruktive Fehler oder nur Verständnisprobleme beim Einsatz der verschiedenen Geräte? Da es sich um ein komplexes dynamisches System handelt, sind viele Punkte schwer zu bewerten und müssen dynamisch analysiert werden. Fehler, die im Vorfeld generiert wurden, kann ein Assistent nicht kompensieren, er sollte aber auf die Punkte hinweisen können und lösbare Probleme auch selbstständig beheben.

Was kann automatisch gemessen und parametriert werden?

Driftkompensation

Driftkompensation: Nullpunktfehler führen zu unerwünschtem Drift. Bild: W.E.St Elektronik

Idealerweise werden die Punkte automatisch optimiert, die schwer zu messen sind. Ein falsch gepolter Regelkreis ist zum Beispiel schwer zu erkennen, wenn der Antrieb schon am Anschlag steht. Der Antrieb bleibt in seiner Position stehen und bewegt sich nicht. Wird die Fehlersuche an der falschen Stelle begonnen, so kann dies sehr viel Zeit kosten. Ein Assistent würde „einfach“ ein paar Test-signale generieren und könnte innerhalb einer beziehungsweise weniger Sekunden zumindest den Fehler eingrenzen beziehungsweise, wenn es sich um die falsche Polarität handelt, das Problem automatisch lösen. Zielvorgaben für die Optimierung sind damit:

  • Erkennen der Polarität und der allgemeinen Betriebsbereitschaft
  • Einstellen des Nullpunkts oder optional der Kompensation der positiven Überdeckung
  • Messen der maximalen Geschwindigkeit in beiden Bewegungsrichtungen
  • Ermitteln der dynamischen Kenndaten und Berechnen von Kreisverstärkung, Beschleunigung und Bremsweg.

Als Ergebnis sind zu erwarten:

  • stabil arbeitende hydraulische Achse
  • ausreichende Positioniergenauigkeit.

Allgemeine Betriebsbereitschaft

maximalen Geschwindigkeit

Das Ermitteln der maximalen Geschwindigkeit ist ein wichtiger Punkt bei der Vorbereitung der dynamischen Optimierung. Bild: W.E.St Elektronik

Als erster Schritt ist zu ermitteln, ob der Antrieb in beide Richtungen fahren kann. Das hört sich recht einfach an, stellt aber ein System, das nur die Position als Rückmeldung verwenden kann, vor eine analytische Herausforderung, da mehrere Punkte zu unterschieden sind, die auch noch in Kombination auftreten können:

  • Der Antrieb fährt gar nicht.
  • Der Antrieb fährt in die falsche Richtung.
  • Der Antrieb fährt nur in eine Richtung.
  • Der Antrieb fährt unabhängig von der Ansteuerung immer in die gleiche Richtung.
  • Der Antrieb steht an einem mechanischen Anschlag.

Bei diesen Fehlermöglichkeiten ist nun zu unterscheiden, welche Fehler in der Steuerung automatisch gelöst werden können und zu welchen Fehlern der Anwender Informationen benötigt. Nur wenn die vorgegebenen Position 1 und Position 2 angefahren wurden, sind die allgemeine Betriebsbereitschaft und die richtige Polarität für eine weitere Optimierung gegeben.

Einstellung des Nullpunktes

Besonders bei nullüberdeckten Ventilen kann es zu einem deutlichen Nullpunktfehler kommen, der dann zu einer unerwünschten Drift führt. Diese Drift beeinträchtigt alle späteren Messungen. Wenn die allgemeine Betriebsbereitschaft gegeben ist, kann diese Messung problemlos durchgeführt werden. Der Antrieb wird auf eine mittlere Position gefahren, nach einer definierten Wartezeit wird die Drift gemessen, und ein Korrektursignal wird generiert. Die Arbeitsweise entspricht der eines Stillstandintegrators, nur dass mit relativ großen Zeitkonstanten gearbeitet werden kann.

Messen der maximalen Geschwindigkeit

Analyse der Sprungantwort

Analyse der Sprungantwort: Das Assistenzsystem ermittelt dynamische Eckdaten. Bild: W.E.St Elektronik

Dieser Punkt ist der Wichtigste in Vorbereitung für die dynamische Optimierung, da hier die hydraulische Verstärkung gemessen wird. Idealerweise wird die gewünschte Sollgeschwindigkeit vorgegeben, damit eine Bewertung der ermittelten Geschwindigkeit vorgenommen werden kann. Warum ist dieser Punkt so wichtig?

  • Ohne die Geschwindigkeit, das heißt ohne Kenntnisse über die hydraulische Verstärkung, können keine Einstellungen des Reglers vorgenommen werden.
  • Fehler bei der Auslegung des Antriebes beziehungsweise des Ventils wirken sich direkt auf die hydraulische Verstärkung aus.
  • Extrem schnelle oder langsame Antriebe, bei denen die Optimierung nicht anwendbar ist, können hier erkannt werden.

Ermitteln der dynamischen Kenndaten

Sind die Geschwindigkeiten, die Polarität und der Ventilnullpunkt eingestellt, so kann die Messung der dynamischen Kenndaten gestartet werden. Da man davon ausgehen kann, dass die meisten Antriebe weder berechnet noch simuliert werden, ist die Parametrierung der Kreisverstärkung und das Herantasten an die richtigen Werte eine Trial-and-Error-Aufgabe.

Fuzzy-Technik

Die Fuzzy-Technik bietet sich an, um Frequenz und Dämpfung zu bewerten. Bild: W.E.St Elektronik

Um dies zu erleichtern, muss der Assistent ein paar dynamische Eckdaten ermitteln, die Dämpfung des Systems bewerten, um dann anhand von allgemeinen Auslegungsrichtlinien die Kreisverstärkung zu bestimmen. Alle weiteren Kenndaten können über Faustformeln oder direkt berechnet werden.

Es werden die Geschwindigkeiten und die Hübe zur Beurteilung herangezogen und bewertet. Ist eine Korrelation zwischen diesen beiden Kurven nicht gegeben, so kann die dynamische Messung nicht verwendet werden und die Optimierung ist abzubrechen. Sind die Kenndaten bekannt, ist anhand einer einfachen Bewertung die Kreisverstärkung bestimmbar. Die wichtigen Kriterien für die dynamische Bewertung sind das Zeitverhalten und das Überschwingen, wodurch auf die Dämpfung des Antriebs geschlossen werden kann.

Hier kommt jetzt die Vereinfachung zum Einsatz. Da der Antrieb bei der Geschwindigkeit Null eine sehr geringe Dämpfung aufweist, kann über die Überschwingweite auf das Verhältnis der Eigenfrequenzen zwischen dem Zylinder und dem Ventil geschlossen werden. Da diese Auswertung – infolge hoher Toleranzen und schwer definierbaren Einflüssen – nicht mathematisch exakt berechnet werden kann, bietet sich die Fuzzy-Logik zur Beurteilung an. Die Kreisverstärkung kann so anhand weniger Regeln bestimmt werden.

Realisierung

Realisiert wurde die Optimierung auf zwei verschiedenen Positionierbaugruppen (mit analogem Wegmesssystem und mit SSI-Wegmesssystem mit ein Mikrometer Signalauflösung). Diverse Tests wurden auf Simulationsbasis (HIL) und an realen Zylinderantrieben mit verschiedenen Ventilen durchgeführt. Um es vorwegzunehmen, die größte Überraschung war, dass der Antrieb immer stabil arbeitet. Die Regelverstärkung wurde typisch auf etwa 50 bis 75 Prozent einer manuell optimierten Achse eingestellt. Die Positioniergenauigkeit lag immer im Bereich von wenigen Hundertstel Millimeter, bei verschiedenen Ventilen von unterschiedlichen Herstellern.

Fazit

Der Assistent zur automatischen Parametrierung konnte an verschiedenen Systemen mit unterschiedlichen Ventilen getestet werden. Am Referenzsystem der W.E.St. Elektronik wurden mit jedem Testventil ein stabiles Verhalten und eine Positioniergenauigkeit von ± 0,02 Millimeter erreicht. Der Optimierungsvorgang dauerte etwa zwei Minuten. Aus heutiger Sicht wissen wir, dass nicht alle Systeme problemlos optimiert werden können. Der Assistent stellt aber dennoch ein Hilfsmittel dar, das dem Anwender erlaubt, auch wenn eine Optimierung abgebrochen wurde, brauchbare Rückschlüsse zu ziehen, die dann seine Arbeit erleichtern. do

Autor: Ulrich Walter, W.E.St. Elektronik