DE102013211484A1 - Method for vibration damping in a mobile work machine - Google Patents

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DE102013211484A1
DE102013211484A1 DE102013211484.2A DE102013211484A DE102013211484A1 DE 102013211484 A1 DE102013211484 A1 DE 102013211484A1 DE 102013211484 A DE102013211484 A DE 102013211484A DE 102013211484 A1 DE102013211484 A1 DE 102013211484A1
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Martin Grepl
Henning Hayn
Oliver Glitza
Roman Mayer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine (1) mit wenigstens einem hydraulischen Aktuator, mit dem zumindest Teile der mobilen Arbeitsmaschine (1) in Bewegung versetzt werden können, wobei wenigstens ein Bedienelement vorgesehen ist, mit dem ein erster Sollwert (24) zur Steuerung der Bewegung eines zugeordneten Aktuators erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird der erste Sollwert (24) einem zumindest angenäherten inversen Modell (22) der mobilen Arbeitsmaschine (1) zugeleitet, mit dem ein zweiter Sollwert (25) bestimmt wird, mit dem der zugeordnete Aktuator gesteuert wird.The invention relates to a method for operating a mobile work machine (1) with at least one hydraulic actuator, with which at least parts of the mobile work machine (1) can be set in motion, at least one control element being provided with which a first setpoint (24) can be generated to control the movement of an associated actuator. According to the invention, the first setpoint (24) is fed to an at least approximate inverse model (22) of the mobile work machine (1), with which a second setpoint (25) is determined, with which the assigned actuator is controlled.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a method for operating a mobile work machine according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 10 2009 018 070 A1 ist eine mobile Arbeitsmaschine in Form eines Hydraulikbaggers bekannt. Weitere Beispiele für mobile Arbeitsmaschinen sind landwirtschaftliche Traktoren, Mähdrescher, Radlader, Muldenkipper, Lastkraftwagen mit einem hydraulischen Ladekran, Kommunalfahrzeuge. Alle diese Fahrzeuge haben wenigstens einen hydraulischen Aktuator, beispielsweise einen Zylinder oder einen Hydromotor, mit dem zumindest ein Teil der mobilen Arbeitsmaschine in Bewegung versetzt werden kann. Bei dem Teil kann es sich beispielsweise um ein Armsegment eines Auslegerarms, um den drehbaren Oberwagen der mobilen Arbeitsmaschine, um eine Schaufel oder um den Fahrantrieb der mobilen Arbeitsmaschine handeln. Derartige mobile Arbeitsmaschinen haben üblicherweise wenigstens ein Bedienelement, das beispielsweise in Form eines elektronischen Joysticks ausgebildet ist. Der durch das Bedienelement erzeugte Sollwert wird zur Steuerung eines zugeordneten Aktuators verwendet. Dabei kann beispielsweise daran gedacht sein, dass das Bedienelement einen elektrischen Strom als Sollwert erzeugt, welcher einem Elektromagneten zugeleitet wird, mit dem ein hydraulisches Ventil betätigt wird, an dem der hydraulische Aktuator angeschlossen ist. Das genannte Ventil ist typischerweise Bestandteil eines Ventilblocks mit mehreren Ventilschiebern. From the DE 10 2009 018 070 A1 is a mobile work machine in the form of a hydraulic excavator known. Other examples of mobile working machines are agricultural tractors, combine harvesters, wheel loaders, dump trucks, trucks with a hydraulic loading crane, municipal vehicles. All of these vehicles have at least one hydraulic actuator, for example a cylinder or a hydraulic motor, with which at least part of the mobile working machine can be set in motion. The part may be, for example, an arm segment of a cantilever arm, the revolving superstructure of the mobile working machine, a shovel or the traction drive of the mobile working machine. Such mobile machines usually have at least one control element, which is designed for example in the form of an electronic joystick. The setpoint generated by the control is used to control an associated actuator. In this case, for example, be thought that the control element generates an electric current as a setpoint, which is fed to an electromagnet with which a hydraulic valve is actuated, to which the hydraulic actuator is connected. Said valve is typically part of a valve block with a plurality of valve spools.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Schwingungen an den genannten beweglichen Teilen oder der gesamten mobilen Arbeitsmaschine zu minimieren, namentlich zu unterdrücken, erheblich zu mindern oder zu dämpfen. Derartige Schwingungen entstehen beispielsweise dann, wenn der Bediener der mobilen Arbeitsmaschine besonders schnell arbeiten soll, wobei er mit den beweglichen Teilen der mobilen Arbeitsmaschine ruckartige Bewegungen ausführt. Weiter soll der Komfort für den Bediener der mobilen Arbeitsmaschine verbessert werden. The object of the invention is to minimize vibrations, namely to suppress, significantly reduce or attenuate the said moving parts or the entire mobile working machine. Such oscillations arise, for example, when the operator of the mobile machine is to work very fast, where he performs jerky movements with the moving parts of the mobile machine. Next, the comfort for the operator of the mobile machine should be improved.

Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der erste Sollwert einem zumindest angenäherten inversen Modell der mobilen Arbeitsmaschine zugeleitet wird, mit dem ein zweiter Sollwert bestimmt wird, mit dem der zugeordnete Aktuator gesteuert wird. Hierdurch wird die dominierende Schwingung, namentlich die Haupteigenfrequenz, der der Modellbildung zugrundeliegenden mobilen Arbeitsmaschine unterdrückt, welche ein schwingungsfähiges System darstellt. Unter einem Modell soll dabei eine mathematische Rechenvorschrift verstanden werden, welche das physikalische Verhalten der mobilen Arbeitsmaschine rechnerisch abbildet. According to the independent claim, this object is achieved in that the first setpoint is fed to an at least approximated inverse model of the mobile work machine, with which a second setpoint is determined, with which the associated actuator is controlled. This suppresses the dominant vibration, namely the main natural frequency, of the mobile work machine underlying the modeling, which is an oscillatory system. A model should be understood to mean a mathematical calculation rule which mathematically maps the physical behavior of the mobile work machine.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben. In the dependent claims advantageous refinements and improvements of the invention are given.

Das Modell der mobilen Arbeitsmaschine kann durch ein schwingungsfähiges PT2-Modell angenähert werden. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass eine derartige angenäherte Modellierung eine genügend große Genauigkeit aufweist, um die erfindungsgemäße Schwingungsminimierung zu erreichen. The model of the mobile work machine can be approximated by a vibratory PT2 model. Investigations by the applicant have shown that such an approximated modeling has a sufficiently high accuracy in order to achieve the oscillation minimization according to the invention.

Die mobile Arbeitsmaschine, insbesondere deren bewegliche Teile, können mit Beschleunigungssensoren versehen ist, wobei Parameter a, b des inversen Modells der mobilen Arbeitsmaschine bestimmt werden, indem die Signale der Beschleunigungssensoren ausgewertet werden. Hierdurch können die prinzipiell frei wählbaren Parameter a, b eines PT2-Modells auf einfache Weise bestimmt werden. The mobile work machine, in particular its moving parts, can be provided with acceleration sensors, wherein parameters a, b of the inverse model of the mobile work machine are determined by the signals of the acceleration sensors are evaluated. As a result, the parameters a, b of a PT2 model, which in principle can be chosen freely, can be determined in a simple manner.

Es können die Signale der Beschleunigungssensoren ausgewertet werden, die sich ergeben, wenn der zugeordnete Aktuator mit einem zweiten Sollwert angesteuert wird, der sich sprungartig von einem Maximalwert auf Null ändert oder umgekehrt. Durch die sprunghafte Ansteuerung wird insbesondere die dominierende Schwingung der mobilen Arbeitsmaschine angeregt, so dass sich dessen schwingungsfähiges Modell besonders genau ermitteln lässt. Der zweite Sollwert kann dabei manuell vom Bediener vorgegeben werden. Es kann aber auch daran gedacht sein, dass die zweiten Sollwerte extern eingespeist werden. Vorzugsweise handelt es sich bei den zweiten Sollwerten um Bewegungsgeschwindigkeiten der zugeordneten Aktuatoren. It is possible to evaluate the signals of the acceleration sensors that result when the associated actuator is actuated with a second desired value, which changes abruptly from a maximum value to zero, or vice versa. Due to the erratic activation in particular the dominant vibration of the mobile machine is excited, so that its oscillatory model can be determined very accurately. The second setpoint can be specified manually by the operator. But it can also be thought that the second setpoints are fed externally. Preferably, the second setpoint values are movement speeds of the associated actuators.

Die Bestimmung der Parameter a, b des inversen Modells der mobilen Arbeitsmaschine kann während des Betriebs der mobilen Arbeitsmaschine durchgeführt werden, wobei die Parameter a, b während des Betriebs der mobilen Arbeitsmaschine geändert werden. Mobile Arbeitsmaschinen, insbesondere Hydraulikbagger, können ihre Raumgestalt während des Betriebs erheblich ändern. In der Folge verändert sich auch deren Schwingungsverhalten. Durch die laufende Anpassung des erfindungsgemäßen inversen Modells an die tatsächlichen Verhältnisse wird die Schwingungsminimierung deutlich verbessert. The determination of the parameters a, b of the inverse model of the mobile work machine can be performed during operation of the mobile work machine, wherein the parameters a, b are changed during operation of the mobile work machine. Mobile work machines, especially hydraulic excavators, can significantly change their spatial shape during operation. As a result, their vibration behavior also changes. Due to the continuous adaptation of the inverse model according to the invention to the actual conditions, the vibration minimization is significantly improved.

Die Laplace-transformierte Übertragungsfunktion des angenäherten inversen Modells der mobilen Arbeitsmaschine kann wie folgt lauten:

Figure DE102013211484A1_0002
wobei a und b Modellparameter sind, wobei T1 und T2 Zeitkonstanten sind. Hier wurde das bereits vorgeschlagene inverse PT2-Modell um Stabilitätsterme ergänzt, welche die Zeitkonstanten T1 und T2 aufweisen. The Laplace-transformed transfer function of the approximate inverse model of the mobile work machine may be as follows:
Figure DE102013211484A1_0002
where a and b are model parameters, where T 1 and T 2 are time constants. Here, the already proposed inverse PT2 model has been supplemented by stability terms which have the time constants T 1 and T 2 .

Vorzugsweise werden die Zeitkonstanten T1 und T2 so gewählt, dass die gesamte mobile Arbeitsmaschine im regelungstechnischen Sinne stabil ist. Unter Stabilität in diesem Sinne soll dabei insbesondere verstanden werden, dass alle Eigenschwingungen des Gesamtsystems so stark gedämpft sind, dass sie beim Betrieb der mobilen Arbeitsmaschine nicht stören und vorzugsweise vom Bediener im Wesentlichen nicht bemerkt werden. Preferably, the time constants T 1 and T 2 are chosen so that the entire mobile machine is stable in terms of control technology. Stability in this sense should be understood in particular that all natural oscillations of the overall system are so strongly damped that they do not interfere with the operation of the mobile machine and are preferably not noticed by the operator substantially.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar: The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine mobile Arbeitsmaschine zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; 1 a mobile work machine for use with the method of the invention;

2 ein mathematisches Modell der gesamten mobilen Arbeitsmaschine; 2 a mathematical model of the entire mobile work machine;

3 ein Diagramm, welches den ersten Sollwert und den zugeordneten Istwert bei einer mobilen Arbeitsmaschine ohne die erfindungsgemäße Schwingungsminimierung zeigt; 3 a diagram showing the first setpoint and the associated actual value in a mobile machine without the vibration minimization according to the invention;

4 ein Diagramm, welches den ersten Sollwert, den zweiten Sollwert und den zugeordneten Istwert bei einer mobilen Arbeitsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Schwingungsminimierung zeigt; und 4 a diagram showing the first setpoint, the second setpoint and the associated actual value in a mobile machine with a vibration minimization according to the invention; and

5 eine Darstellung entsprechend 2, welche um einen Regler ergänzt wurde. 5 a representation accordingly 2 , which was supplemented by a controller.

1 zeigt eine mobile Arbeitsmaschine 1 zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die mobile Arbeitsmaschine 1 ist beispielhaft in Form eines Hydraulikbaggers ausgebildet. Die mobile Arbeitsmaschine 1 umfasst einen Wagen 2, der über beispielsweise vier Räder 3 auf der Geländeoberfläche fahren kann. Anstelle der Räder können auch Fahrketten vorgesehen sein. An dem Wagen ist ein Auslegerarm 4 befestigt, der durchgezogen in einer Istposition 9 und gestrichelt in einer Sollposition 10 dargestellt ist. Der Auslegerarm 4 umfasst ein erstes, eine zweites und ein drittes Armsegement 5; 6; 7, die gelenkig miteinander verbunden sind, so dass sie relativ zueinander verschwenkt werden können. Die Armsegmente 5; 6; 7 bilden die oben angesprochenen beweglichen Teile der mobilen Arbeitsmaschine 1. Jedes Armsegment 5, 6; 7 wird über einen zugeordneten (nicht dargestellten) Aktuator bewegt, der vorzugsweise in Form eines Hydraulikzylinders ausgebildet ist. Die Hydraulikzylinder sind vorzugsweise an einem gemeinsamen (nicht dargestellten) Ventilblock angeschlossen, wobei jedem Aktuator ein linearbeweglicher Ventilschieber in dem Ventilblock zugeordnet ist. Die Ventilschieber werden vorzugsweise mittels zugeordneter Elektromagnete bewegt, wobei sie höchst vorzugsweise von zugeordneten Federn in einer Ausgangsstellung, beispielsweise einer Mittelstellung, gehalten werden. Die Elektromagnete sind wiederum an eine (nicht dargestellte) Steuerungsvorrichtung angeschlossen, welche vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner umfasst, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist. An die Steuerungsvorrichtung ist wenigstens ein (nicht dargestelltes) Bedienelement angeschlossen, welches beispielsweise als Joystick ausgebildet ist. An den einzelnen Armsegmenten 5; 6; 7 ist jeweils ein Beschleunigungssensor 8 angeordnet. Die Beschleunigungssensoren 8 sind dabei jeweils möglichst weit vom zugeordneten Drehgelenk entfernt, dessen Bewegung mittels des betreffenden Beschleunigungssensors gemessen werden soll. Die Beschleunigungssensoren 8 sind, vorzugsweise über Analog-Digital-Wandler, an der genannten Steuerungsvorrichtung angeschlossen. 1 shows a mobile work machine 1 for use with the method of the invention. The mobile work machine 1 is exemplified in the form of a hydraulic excavator. The mobile work machine 1 includes a car 2 that has four wheels, for example 3 can drive on the terrain surface. Instead of the wheels and chains can be provided. On the carriage is a boom 4 attached, pulled through in an actual position 9 and dashed in a desired position 10 is shown. The boom arm 4 includes a first, a second and a third arm segment 5 ; 6 ; 7 which are hinged together so that they can be pivoted relative to each other. The arm segments 5 ; 6 ; 7 form the above-mentioned moving parts of the mobile machine 1 , Each arm segment 5 . 6 ; 7 is moved via an associated actuator (not shown), which is preferably in the form of a hydraulic cylinder. The hydraulic cylinders are preferably connected to a common (not shown) valve block, wherein each actuator is associated with a linearly movable valve spool in the valve block. The valve spools are preferably moved by means of associated electromagnets, wherein they are most preferably held by associated springs in a starting position, for example a central position. The electromagnets are in turn connected to a control device (not shown) which preferably comprises a programmable digital computer programmed to carry out the method according to the invention. To the control device at least one (not shown) control element is connected, which is designed for example as a joystick. At the individual arm segments 5 ; 6 ; 7 is in each case an acceleration sensor 8th arranged. The acceleration sensors 8th are each as far as possible away from the associated rotary joint, whose movement is to be measured by means of the relevant acceleration sensor. The acceleration sensors 8th are, preferably via analog-to-digital converter, connected to said control device.

2 zeigt ein mathematisches Modell der gesamten mobilen Arbeitsmaschine 1. Anhand dieses Modells wurde die Funktionsfähigkeit der Erfindung mit der Simulationsoftware MatLab/Simulink überprüft. Das Modell umfasst ein Bedienelement 23, mit dem der erste Sollwert 24 vorgegeben wird. Der erste Sollwert wird dem erfindungsgemäßen inversen Modell 22 der mobilen Arbeitsmaschine zugeleitet, welches daraus den zweiten Sollwert 25 berechnet. Die dieser Berechnung zugrunde liegende Übertragungsfunktion ist in Form der entsprechenden Laplace-Transformierten in 2 angegeben. Der zweite Sollwert 25 wird nunmehr der mobilen Arbeitsmaschine, vorzugsweise einem zugeordneten Elektromagneten am genannten Ventilblock, zugeführt. Im Rahmen der genannten Simulationsrechnung wurde die mobile Arbeitsmaschine durch ein PT2-Modell 21 ersetzt, deren Übertragungsfunktion in 2 angegeben ist. Als Simulationsergebnis liefert das Modell nach 2 den Istwert 20 zurück, bei dem es sich beispielsweise um die Stellung eines der Aktuatoren handeln kann. Dieser Istwert 20 wird einem Terminator 26 zugeleitet, der nur aus Gründen der Durchführbarkeit der genannten Simulation erforderlich ist und keine Entsprechung an der tatsächlichen mobilen Arbeitsmaschine hat. 2 shows a mathematical model of the entire mobile work machine 1 , On the basis of this model, the functionality of the invention was tested with the simulation software MatLab / Simulink. The model includes a control 23 , with which the first setpoint 24 is given. The first set point becomes the inverse model according to the invention 22 fed to the mobile machine, which from the second setpoint 25 calculated. The transfer function on which this calculation is based is in the form of the corresponding Laplace transforms in 2 specified. The second setpoint 25 is now the mobile machine, preferably an associated solenoid on said valve block, fed. As part of the aforementioned simulation calculation, the mobile work machine was replaced by a PT2 model 21 replaced, whose transfer function in 2 is specified. The model provides the simulation result 2 the actual value 20 back, which may be, for example, the position of one of the actuators. This actual value 20 becomes a terminator 26 fed, which is required only for reasons of feasibility of said simulation and has no equivalent to the actual mobile work machine.

3 zeigt ein Diagramm, welches das Ergebnis einer Simulationsrechnung ist, bei dem der zweite Sollwert gleich dem ersten Sollwert ist, so dass eine mobile Arbeitsmaschine ohne die erfindungsgemäße Schwingungsminimierung simuliert wird. In der Horizontalen ist die Zeit t aufgetragen, wobei in der Vertikalen die Stellung eines Aktuators der mobilen Arbeitsmaschine aufgetragen ist. Die Kurve 24 zeigt den ersten Sollwert, wie er vom Bediener am Bedienelement vorgegeben wird. Die Kurve 20 zeigt den Istwert in Form der Stellung des zugeordneten Aktuators. Es zeigt sich, dass am Ende der vom Bediener gewünschten Bewegung eine Schwingung 30 auftritt, welche langsam abklingt. 3 shows a diagram which is the result of a simulation calculation in which the second setpoint is equal to the first setpoint, so that a mobile machine is simulated without the vibration minimization according to the invention. In the horizontal time t is plotted, wherein in the vertical position of an actuator of the mobile machine is applied. The curve 24 shows the first setpoint, as specified by the operator on the control element. The curve 20 shows the actual value in the form of the position of the associated actuator. It turns out that at the end of the movement desired by the operator, there is a vibration 30 occurs, which decays slowly.

4 zeigt ein Diagramm, welches das Ergebnis einer Simulationsrechnung ist, bei dem die Anordnung nach 2 simuliert wurde, bei der die erfindungsgemäße Schwingungsminimierung zum Einsatz kommt. In der Horizontalen ist die Zeit t aufgetragen, wobei in der Vertikalen die Stellung eines Aktuators der mobilen Arbeitsmaschine aufgetragen ist. Die Kurve 24 zeigt den ersten Sollwert, wie er vom Bediener am Bedienelement vorgegeben wird. Die Kurve 20, welche den Istwert darstellt, ist nahezu deckungsgleich mit der Kurve 24. Dementsprechend treten die in 3 dargestellten Schwingungen nicht mehr auf. Die Kurve 25 zeigt den Verlauf des zweiten Sollwerts über die Zeit, wie er sich durch Berechnung mit der erfindungsgemäßen Übertragungsfunktion aus dem ersten Sollwert 24 ergibt. 4 shows a diagram which is the result of a simulation calculation in which the arrangement after 2 was simulated, in which the vibration minimization according to the invention is used. In the horizontal time t is plotted, wherein in the vertical position of an actuator of the mobile machine is applied. The curve 24 shows the first setpoint, as specified by the operator on the control element. The curve 20 , which represents the actual value, is almost congruent with the curve 24 , Accordingly, the in 3 no longer displayed vibrations. The curve 25 shows the course of the second setpoint over time, as calculated by calculation with the transfer function of the invention from the first setpoint 24 results.

5 zeigt eine Darstellung entsprechend 2, welche um einen Regler 40 ergänzt wurde. Dabei wurden in den 2 und 5 gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, wobei insoweit auf die Ausführungen zu 2 verwiesen wird. 5 shows a representation accordingly 2 which is a regulator 40 was added. It was in the 2 and 5 the same parts with the same reference numerals, in which respect to the comments on 2 is referenced.

Der zweite Sollwert 25 wird einem Soll-Ist-Wertvergleich 41 zugeführt, bei dem der Istwert 22 vom zweiten Sollwert 25 subtrahiert wird. Die so bestimmte Regelabweichung wird einem Regler zugeführt, der hieraus eine Stellgröße berechnet. The second setpoint 25 becomes a target-actual-value comparison 41 fed, in which the actual value 22 from the second setpoint 25 is subtracted. The so determined control deviation is fed to a controller, which calculates a manipulated variable from this.

Bei dem Regler kann es sich beispielsweise um einen P-, einen PD- oder einen PID-Regler handeln. The controller may be, for example, a P, a PD or a PID controller.

Kern der Erfindung ist, dass als Vorsteuerung ein inverses Modell für jeden einzelnen Zylinder verwendet wird. Ausgenützt wird dabei, dass an jedem Zylinderarm Beschleunigungssensoren angebracht sein können. Dadurch kann die dominierende Schwingung (Haupteigenfrequenz), z.B. durch Erzeugung der Sprungantwort der Geschwindigkeit eines Zylinders beim Zurücknehmen der Geschwindigkeit vom Maximalwert auf Null, ermittelt werden. Dies kann insbesondere auch online, d.h. während des Betriebs geschehen. Dieses Systemverhalten kann näherungsweise durch ein schwingungsfähiges PT2-Modell beschrieben werden. Wird dieses Modell invertiert, um Stabilitätsterme ergänzt und für die Sollwertaufbereitung verwendet, so wird durch eine Vorsteuerung die erste Haupteigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems unterdrückt. Da die Beschleunigungssensoren zur Verfügung stehen, kann die Systemidentifikation online mit berechnet werden und für die Invertierung herangezogen werden und während des Betriebs angepasst werden. The core of the invention is that an inverse model is used for each individual cylinder as precontrol. Exploited is that acceleration sensors can be attached to each cylinder arm. Thereby, the dominant vibration (main natural frequency), e.g. by deriving the step response of the speed of a cylinder when the speed is decreased from the maximum value to zero. In particular, this can also be done online, i. happen during operation. This system behavior can be approximately described by a vibratory PT2 model. If this model is inverted, supplemented by stability terms and used for the setpoint processing, then the first main natural frequency of the oscillatory system is suppressed by a pilot control. Since the acceleration sensors are available, the system identification can be calculated online and used for the inversion and adapted during operation.

Zunächst kann ein für jeden Zylinder individuelles einfaches Modell des Systemverhaltens identifiziert werden. Der Bediener kann z.B. einen Zylinder von der Maximalgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit Null abbremsen. Eine andere Möglichkeit wäre das externe Einspeisen eines Zylinderpositionssignals von x1 nach x2. Zu erwarten ist in beiden Fällen eine Systemantwort, die mit Hilfe eines PT2-Übertragungsverhaltens näherungsweise beschrieben werden kann. Die allgemeine Beschreibung lautet:

Figure DE102013211484A1_0003
bei einem angenommenen Verstärkungsfaktor von k = 1. Diese Gleichung stellt ein schwingungsfähiges System dar (Annahme: komplexe Pole). Schaltet man vor dieses Übertragungsglied das invertierte System (dessen Übertragungsfunktion muss aufgrund von Stabilitätsbedingungen mit günstigen Zeitkonstanten im Nenner erweitert werden), so ergibt sich folgendes Übertragungsverhalten der vorgesteuerten Strecke:
Figure DE102013211484A1_0004
First, a simple model of system behavior unique to each cylinder can be identified. For example, the operator can decelerate a cylinder from maximum speed to zero speed. Another possibility would be to externally feed a cylinder position signal from x1 to x2. In both cases, one can expect a system response that can be approximated using a PT2 transmission behavior. The general description is:
Figure DE102013211484A1_0003
assuming a gain factor of k = 1. This equation represents a vibratory system (assumption: complex poles). If one switches the inverted system before this transmission element (whose transmission function must be extended due to stability conditions with favorable time constants in the denominator), the following transmission behavior of the pre-controlled path results:
Figure DE102013211484A1_0004

Es ist zu erwarten, dass das identifizierte System nicht exakt der Realität entspricht (unterschiedliche Betriebspunkte und geänderte Arbeitsbedingungen). In der Simulation lässt sich jedoch zeigen, dass trotz relativ hoher Abweichungen der identifizierten Modellparameter noch eine gute Dämpfung erreicht werden kann. Da an jedem Baggerarm Beschleunigungssensoren angebracht sind, kann eine Anpassung der identifizierten Parameter online erfolgen. It can be expected that the identified system does not exactly correspond to reality (different operating points and changed working conditions). In the simulation, however, it can be shown that, despite relatively high deviations of the identified model parameters, good damping can still be achieved. Since acceleration sensors are mounted on each excavator arm, an adaptation of the identified parameters can take place online.

Die Ergebnisse sind an einer beispielhaften Anwendung an einem PT2-System in den 3 und 4 zu sehen. 3 zeigt zwei Signalverläufe: zum einen das Sollprofil, das zur Anregung des PT2-Systems verwendet wird und zum anderen den zughörigen Verlauf des Ausgangssignals. In 4 ist zusätzlich das manipulierte Sollprofil dargestellt, welches einen deutlich besseren Verlauf des Ausgangssignals zur Folge hat. Das hier Schwingungsdämpfung mobiler Arbeitsmaschinen durch Vorsteuerung der Hydraulikzylinder mittels eines inversen Modells gezeigte System kann auch um einen Regelkreis erweitert werden, die manipulierten Sollwerte werden der Reglerstruktur zugeführt (siehe 5). The results are based on an exemplary application to a PT2 system in the 3 and 4 to see. 3 shows two signal curves: on the one hand, the nominal profile, which is used to excite the PT2 system, and on the other hand, the associated course of the output signal. In 4 In addition, the manipulated nominal profile is shown, which has a much better course of the output result. The here shown vibration damping of mobile machines by pre-control of the hydraulic cylinder by means of an inverse model system can also be extended by a control loop, the manipulated setpoints are supplied to the controller structure (see 5 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

tt
Zeit Time
a, b a, b
Parameter des Modells bzw. inversen Modells der mobilen Arbeitsmaschine Parameters of the model or inverse model of the mobile work machine
T1; T2 T 1 ; T 2
Zeitkonstanten time constants
11
mobile Arbeitsmaschine mobile work machine
22
Wagen dare
33
Rad wheel
44
Auslegerarm boom
55
erstes Armsegment first arm segment
66
zweites Armsegment second arm segment
77
drittes Armsegment third arm segment
88th
Beschleunigungssensor accelerometer
99
Istposition Actual position
10 10
Sollpostion Sollpostion
20 20
Istwert actual value
21 21
Modell der mobilen Arbeitsmaschine Model of mobile work machine
22 22
angenähertes inverses Modell der mobilen Arbeitsmaschine approximate inverse model of the mobile work machine
23 23
Bedienelement operating element
24 24
erster Sollwert first setpoint
25 25
zweiter Sollwert second setpoint
26 26
Terminator terminator
30 30
Schwingung vibration
40 40
Regler regulator
41 41
Soll-Ist-Wertvergleich Target-value comparison
42 42
Stellgröße manipulated variable

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009018070 A1 [0002] DE 102009018070 A1 [0002]

Claims (7)

Verfahren zum Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine (1) mit wenigstens einem hydraulischen Aktuator, mit dem zumindest Teile (5; 6; 7) der mobilen Arbeitsmaschine (1) in Bewegung versetzt werden können, wobei wenigstens ein Bedienelement vorgesehen ist, mit dem ein erster Sollwert (24) zur Steuerung der Bewegung eines zugeordneten Aktuators erzeugt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sollwert (24) einem zumindest angenäherten inversen Modell (22) der mobilen Arbeitsmaschine (1) zugeleitet wird, mit dem ein zweiter Sollwert (25) bestimmt wird, mit dem der zugeordnete Aktuator gesteuert wird. Method for operating a mobile work machine ( 1 ) with at least one hydraulic actuator, with which at least parts ( 5 ; 6 ; 7 ) of the mobile work machine ( 1 ) can be set in motion, wherein at least one operating element is provided with which a first setpoint ( 24 ) can be generated for controlling the movement of an associated actuator, characterized in that the first setpoint ( 24 ) an at least approximate inverse model ( 22 ) of the mobile work machine ( 1 ), with which a second setpoint ( 25 ) with which the associated actuator is controlled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der mobilen Arbeitsmaschine (1) durch ein schwingungsfähiges PT2-Modell angenähert wird. Method according to claim 1, characterized in that the model of the mobile working machine ( 1 ) is approximated by a vibratory PT2 model. Verfahren nach einem der vorstehen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine (1), insbesondere deren bewegliche Teile (5; 6; 7), mit Beschleunigungssensoren (8) versehen ist, wobei Parameter a, b des inversen Modells (22) der mobilen Arbeitsmaschine (1) bestimmt werden, indem die Signale der Beschleunigungssensoren (8) ausgewertet werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mobile working machine ( 1 ), in particular their moving parts ( 5 ; 6 ; 7 ), with acceleration sensors ( 8th ), where parameters a, b of the inverse model ( 22 ) of the mobile work machine ( 1 ) can be determined by the signals of the acceleration sensors ( 8th ) be evaluated. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Beschleunigungssensoren (8) ausgewertet werden, die sich ergeben, wenn der zugeordnete Aktuator mit einem zweiten Sollwert (25) angesteuert wird, der sich sprungartig von einem Maximalwert auf Null ändert oder umgekehrt. Method according to Claim 3, characterized in that the signals of the acceleration sensors ( 8th ), which result when the associated actuator with a second setpoint ( 25 ), which changes abruptly from a maximum value to zero or vice versa. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter a, b des inversen Modells (22) der mobilen Arbeitsmaschine (1) während des Betriebs der mobilen Arbeitsmaschine (1) durchgeführt wird, wobei die Parameter a, b während des Betriebs der mobilen Arbeitsmaschine (1) geändert werden. Method according to claim 3 or 4, characterized in that the determination of the parameters a, b of the inverse model ( 22 ) of the mobile work machine ( 1 ) during operation of the mobile work machine ( 1 ), wherein the parameters a, b during operation of the mobile work machine ( 1 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laplace-transformierte Übertragungsfunktion des angenäherten inversen Modells (22) der mobilen Arbeitsmaschine (1) wie folgt lautet:
Figure DE102013211484A1_0005
wobei a und b Modellparameter sind, wobei T1 und T2 Zeitkonstanten sind. Method according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the Laplace-transformed transfer function of the approximated inverse model ( 22 ) of the mobile work machine ( 1 ) reads as follows:
Figure DE102013211484A1_0005
where a and b are model parameters, where T 1 and T 2 are time constants. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstanten T1 und T2 so gewählt werden, dass die gesamte mobile Arbeitsmaschine (1) im regelungstechnischen Sinne stabil ist. A method according to claim 6, characterized in that the time constants T 1 and T 2 are selected so that the entire mobile work machine ( 1 ) is stable in the control technical sense.
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