DE60224967T2

DE60224967T2 - Modellgestützte prädiktive Steuervorrichtung und -Verfahren zur Steuerung der Bewegung und/oder des Druckes von Spritzgiessmaschinen

Info

Publication number: DE60224967T2
Application number: DE60224967T
Authority: DE
Inventors: Thomas Columbia Station Bulgrin; Andrew Valley City Schuplin
Original assignee: Van Dorn Demag Corp
Current assignee: Van Dorn Demag Corp
Priority date: 2001-09-29
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: US20030080452A1; EP1297941A3; EP1297941B1; EP1297941A2; DE60224967D1; US6682669B2; ATE385887T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet des Spritzgießens und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern der Bewegung und/oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Spritzguss- und andere Arten von Formungsmaschinen sind komplexe Systeme, die in der Regel in mehreren Schritten oder Phasen betrieben werden, um ein oder mehrere Formteile in einem Formungszyklus herzustellen. Nachdem ein fertiges Teil aus der Maschine herausgenommen wurde, wird der Formungszyklus wiederholt, um weitere Teile herzustellen. Der Arbeitszyklus einer typischen Spritzgießmaschine enthält folgende Schritte: Zuhalten, Einspritzen, Verdichten und Verweilen, Erholen und Auswerfen. Bei jedem dieser Schritte sind Maschinenkomponenten zu bewegen, und die Bewegung der Maschinenkomponenten ist zu steuern. Die Zuhalte-Phase fügt die einzelnen Seiten oder Abschnitte eines Formwerkzeugs zusammen, um darin Kunststoffformmaterial in Form einer Schmelze aufzunehmen. In der Einspritz-Phase schiebt oder spritzt eine reversierende Schnecke oder ein reversierender Stempel innerhalb eines Zylinders eine plastifizierte Schmelze durch eine Öffnung am Zylinderende oder eine Düse, die ihrerseits die Schmelze in den inneren Hohlraum des Formwerkzeugs ausgibt. Dann wird weiteres Material in das Formwerkzeug gegeben, und während einer Verdichtungs- und Verweil-Phase wird eine Kraft aufrechterhalten, und die Auswerf-Phase löst das Formteil aus den voneinander getrennten Formwerkzeug- Hälften. Die Schnecke wird während einer Erholungsphase innerhalb des Zylinders zurückgezogen, während die Schnecke gedreht wird, um neues Kunststoffmaterial durch die Schneckengänge hindurch in den Zylinderraum vor der Schnecke voranzuschieben, woraufhin der Zyklus wiederholt werden kann.
Jede der Formungsmaschinenphasen kann lineare und/oder rotationale Bewegungen einer oder mehrerer Maschinenkomponenten enthalten, wobei diese Bewegungen mit Hilfe geeigneter Aktuatoren in einer kontrollierten Weise implementiert werden können. Die Aktuatoren für eine solche Maschinenkomponentenbewegung können von verschiedener Form sein, wie zum Beispiel hydraulische Aktuatoren, rotierende und lineare Elektromotoren und dergleichen. Die verschiedenen rotationalen und/oder translationalen Bewegungen der Formungsmaschinenkomponenten werden oft entsprechend zuvor festgelegten Profilen gesteuert, um die gewünschten Formteile herzustellen, während versucht wird, eine vollständige Befüllung des Formwerkzeugs zu erreichen, kosmetische und strukturelle Probleme in den Formteilen zu verringern, Formteile ohne Beschädigung auszuwerfen und die Taktzeit zu minimieren, um einen akzeptablen Maschinendurchsatz zu erreichen. Zusätzlich zur Bewegungssteuerung enthalten solche Formungsmaschinen auch Steuerungen und Aktuatoren zum Steuern der Temperaturen, Drücke und anderer Prozessvariablen in der Maschine. Viele der heutigen Spritzgießmaschinen verwenden eine Kombination aus Offenkreisbefehlssteuerung für unkritische Bewegungen, wie zum Beispiel zum Zuhalten und Auswerfen, in Kombination mit Regelkreissteuerung zum Steuern der Einspritzstempelgeschwindigkeit, des Verweildrucks, des Rückdrucks und der Schneckenrotationsgeschwindigkeit.
Die Steuerungen für Spritzgießmaschinen haben sich von frühen manuellen Steuerelementen, wobei Kunststoff in ein Formwerkzeug eingespritzt wurde, wenn ein Kurbelrad gedreht wurde, zu programmierbaren Logiksteuerungen entwickelt, welche die Maschinenaktuatoren in Regelkreisform unter Verwendung von Sensoreingaben steuern, um ein Kontrollgesetz, in der Regel eine Proportional-Integral-Derivativ (PID)-Steuerung, zu implementieren. Die PID-Steuereinheiten herkömmlicher Spritzgießmaschinen empfangen Sensoreingaben, welche die Maschinenkomponentenbewegung (zum Beispiel Position, Geschwindigkeit usw.) anzeigen, die dann mit gewünschten Bewegungswerten (zum Beispiel Sollpunktwerten) verglichen werden, um einen Fehlerwert abzuleiten. Steuerausgänge werden aus dem Fehlerwert abgeleitet und werden an die Aktuatoren in der Maschine, wie zum Beispiel Hydraulikventile, Elektromotoren oder dergleichen, weitergeleitet, um die Fehler zu reduzieren. PID-Steuereinheiten geben Steuerausgangssignale aus, die zu dem Fehler, dem Integral des Fehlers und/oder der Ableitung des Fehlers proportional sind, wobei PID-Koeffizienten k_p, k_i und k_d eingestellt werden, um eine relative Gewichtung für die proportionalen, integralen und derivativen (d. h. abgeleiteten) Komponenten des Steuerausgangssignals zu erzeugen. Seit kurzem bieten Steuereinheiten von Formungsmaschinen weiterentwickelte Funktionen, wie zum Beispiel das Kombinieren von selbst-optimiertem PID mit einem prädiktiven Offenkreis-Term und einem adaptiven erlernten Störungskorrektur-Term, wie in meinem US-Patent Nr. 5,997,778 beschrieben. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der herkömmlichen Formungsmaschinen und deren Steuerungen, die im US-Patent Nr. 5,997,778 veranschaulicht und beschrieben sind, bereit.
Die Bewegungen verschiedener Komponenten in einer Formungsmaschine werden üblicherweise entsprechend einem benutzerdefinierten Profil gesteuert. Zum Beispiel kann ein Benutzer ein gewünschtes Profil für die Stempelgeschwindigkeit im Verhältnis zu Position oder Zeit definieren, das während eines Einspritzschrittes zu verwenden ist, mitunter auch als ein Geschwindigkeitsprofil bezeichnet. Alternativ oder in Kombination können solche sich bewegenden Komponenten entsprechend einem benutzerdefinierten Druckprofil gesteuert werden, wie zum Beispiel einem Schmelzendruckprofil, das im Hinblick auf den Druck relativ zur Zeit definiert ist. Ein Maschinenzyklus kann darüber hinaus mit einem oder mehreren solcher Profile für verschiedene Schritte innerhalb des Zyklus' arbeiten. Zum Beispiel kann die Translation des Einspritzstempels während des Einspritzschrittes entsprechend einem Geschwindigkeitsprofil gesteuert werden, woraufhin eine Druckprofiltyp-Steuerung während eines Verdichtungs- und Verweilschrittes verwendet wird. Des Weiteren können verschiedene Profile und/oder Profilarten zum Steuern verschiedener Teilsysteme innerhalb einer Formungsmaschine verwendet werden. In dieser Hinsicht kann während des Einspritzens eine Geschwindigkeitsprofilbildung zum Steuern des Stempels verwendet werden, wohingegen eine Druckprofilbildung zum Steuern der Funktion eines Zuhaltesystems verwendet werden kann.
Wenn Geschwindigkeitsprofilbildung verwendet wird, so definiert der Benutzer das gewünschte Profil, das die gewünschte Geschwindigkeit einer oder mehrerer sich bewegender Maschinenkomponenten relativ zur Position einstellt. Die Steuereinheit verwendet dann das Profil als eine Reihe von Sollpunktwerten (und/oder leitet zum Beispiel weitere Sollpunktwerte daraus ab) für das Kontrollgesetz, um eine bestimmte Maschinenphase in einem Formungszyklus zu implementieren. Zum Beispiel definiert der Benutzer in der Regel ein gewünschtes stückweises Lineartranslationsgeschwindigkeitsprofil relativ zur Position für eine Bewegung des Einspritzstempels während eines Einspritzschrittes. Alternativ kann der Benutzer ein Druck-Zeit-Profil für die Schmelze in dem Zylinder während des Einspritzens definieren, das zum Steuern der linearen Stempelkraft während des Einspritzens verwendet werden kann. Gleichermaßen können benutzerdefinierte Profile zum Steuern einer Drehbewegung des Stempels, zum Erwärmen des Zylinders, zum Zuhalten der Formwerkzeug-Hälften, zum Bewegen des Schlittens und/oder zum Auswerfen fertiger Teile aus dem geteilten Formwerkzeug verwendet werden.
Um die Benutzereingabe solcher gewünschter Steuerungsprofile zu vereinfachen, enthalten Formungsmaschinen oft eine Bedienerstation oder eine Benutzerschnittstelle mit einem Anzeigeschirm und einer Tastatur, die Signale an eine programmierbare Logiksteuereinheit (PLC) sendet. Zum Beispiel kann es eine solche Benutzerschnittstelle einem Bediener gestatten, gewünschte Stempelgeschwindigkeiten bei festen Stempelhubinkrementen oder -zonen zu definieren. Der Bediener stellt die gewünschte Stempelgeschwindigkeit an jeder Zone ein, woraus eine Reihe von Balkendiagrammen erstellt wird. Die Stempelbewegung wird dann so gesteuert, dass sie den Balkendiagrammen folgt. Seit kurzem werden, die Balkendiagramme durch Punkte an jeder Zonengrenze ersetzt, so dass der Stempel nicht so programmiert ist, dass er sich mit einer konstanten Geschwindigkeit innerhalb jeder Zone bewegt. Vielmehr wird der Stempel entsprechend einer linearen Interpolation gesteuert, die sich von einem Sollpunkt an einer Zonengrenze zu einem anderen Sollpunkt an einer benachbarten Zonengrenze ändert. Somit wird beim Definieren einer Anzahl gewünschter Geschwindigkeitseinstellungen an eingestellten Stempelhubpositionen, denen der Stempel folgen soll, ein "Geschwindigkeitsprofil" erstellt. Die Steuereinheit der Formungsmaschine versucht dann, den Stempel zu veranlassen, sich mit den vom Benutzer eingestellten Geschwindigkeiten an den vom Benutzer eingestellten Positionen zu bewegen, d. h. das Geschwindigkeitsprofil zu emulieren, indem sie entsprechende Steuerausgangssignale in einen oder mehrere Aktuatoren in der Maschine einspeist.
In einer herkömmlichen Formungsmaschine empfängt die Steuereinheit ein Geschwindigkeitsrückkopplungssignal von einem Geschwindigkeitssensor an der Maschine und vergleicht es mit dem vom Benutzer eingestellten Geschwindigkeitsprofil, um einen fehlerkompensierten Steuerausgangswert zu erzeugen, anhand dessen die Einspritzstempelgeschwindigkeit gesteuert wird. Alternativ wird ein Positionssignal von einem Stempellängspositionssensor empfangen und wird entweder in Hardware oder in Software differenziert, um Geschwindigkeitsinformationen daraus abzuleiten. Wenn der lineare Aktuator für den Einspritzstempel hydraulisch ist, so wird der Steuerausgangswert in ein analoges Steuersignal umgewandelt, was dann in einen Magnetventilaktuator eingespeist wird, der ein hydraulisches Proportionalströmungssteuerventil reguliert. Das Ventil wiederum steuert den Fluss von einer Pumpe zu einem Initiator, der die Stempelbewegung veranlasst. Das benutzerdefinierte Geschwindigkeitsprofil wird in der Regel in eine Reihe von Geschwindigkeitssollpunkten (und/oder zum Beispiel Drucksollpunkten) umgewandelt, die von der Steuereinheit zum Erzeugen entsprechender Steuerausgangswerte während der Maschinenbewegung verwendet werden. Die PLC führt somit eine Regelkreissteuerung (zum Beispiel über Rückkopplungssignale von einem Stempelpositions- oder -geschwindigkeitssensor) aus, indem sie ein Ansteuersignal an das hydraulische Steuerventil sendet. Alternativ gibt die Steuereinheit, wenn der Stempel durch einen Elektromotor linear betätigt wird, Geschwindigkeitssignale als Steuerausgänge an eine Motoransteuerung aus. Die Ansteuerung wiederum gibt einen entsprechenden Strom an den Motoraktuator aus, um die gewünschte Stempelgeschwindigkeit zu erreichen. Eine solche Regelkreissteuerung kann auch während bestimmter unkritischer Abschnitte eines oder mehrerer Bewegungssteuerungs-Teilsysteme mit einer Offenkreissteuerung kombiniert werden.
Obgleich bisher eine PID-Steuerung und andere Arten von Steuerungen zum Steuern verschiedener Bewegungen in Formungsmaschinen verwendet wurden, sind verbesserte Steuerungsfähigkeiten wünschenswert, um die Qualität fertiger Teile, die Wiederholbarkeit und die Taktzeit zu verbessern. Zum Beispiel verhindern Nichtlinearitäten in der Formungsmaschine und eine Energiespeicherung hoher Ordnung eine optimale Steuerung der Bewegung verschiedener Komponenten, wie zum Beispiel des Einspritzstempels. Zu solchen Nichtlinearitäten gehört zum Beispiel die Kugelumlaufspindelreibung in Verbindung mit dem Einspritzstempel. Außerdem kommt es zu Energiespeicherung, da Hydraulikschläuche im System je nach den herrschenden Hydraulikfluiddrücken einer Querausdehnung unterliegen. Elektromotor-Aktuatoren haben auch das Problem eines nicht-linearen Verhaltens infolge von Spiel, Erwärmungseffekten, Lärm und dergleichen. Des Weiteren verursachen noch andere Störungen in der Maschine ein nicht-lineares oder unbestimmtes Verhalten, wie zum Beispiel Hydraulikfluidverlust. PID- und andere Steuereinheiten sind von begrenzter Ordnung und können darum keine Dynamik hoher Ordnung des Systems auslöschen. Außerdem erfordern herkömmliche Steuerungen eine Abstimmung der verschiedenen zugehörigen Steuerungskoeffizienten (zum Beispiel k_p, k_i und k_d), um eine gute Steuerung zu erreichen. Allerdings kann eine Abstimmung dieser Koeffizienten außerhalb der Fähigkeiten des Endnutzers solcher Formungsmaschinen liegen. Darüber hinaus reichen die Abstimmungsfähigkeiten, die durch k_p, k_i und k_d in einer PID-Steuereinheit bereitgestellt werden, nicht aus, um die Steuerungsoperationen solcher Maschinen zu optimieren, in denen Nichtlinearitäten, Dynamik hoher Ordnung, hoch-veränderliche Störungen und andere unbestimmte Bedingungen vorhanden sind. Folglich besteht Bedarf an Vorrichtungen und Methodologien zur Steuerung der Bewegungen von Formungsmaschinen, mit deren Hilfe eine verbesserte Maschinenleistung bei Vorhandensein solcher Bedingungen erreicht werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das Folgende ist eine vereinfachte Zusammenfassung der Erfindung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung herbeizuführen. Diese Kurzdarstellung ist kein umfassender Überblick über die Erfindung. Sie soll weder wesentliche oder kritische Elemente der Erfindung herausstellen noch den Geltungsbereich der Erfindung umreißen. Ihr Hauptzweck besteht darin, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als Einleitung zu einer ausführlicheren Beschreibung, die später gegeben wird, vorzustellen. Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerungsverfahren und -vorrichtungen, die in Verbindung mit verschiedenen Arten von Formungsmaschinen Anwendung finden, wie zum Beispiel Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen und dergleichen. Es wird ein Kontrollgesetz bereitgestellt, das zukünftige Maschinenzustände entsprechend einem vorgeschlagenen oder hypothetischen Steuerausgangsvektor, einem momentanen Maschinenzustand und einem Modell der Maschine schätzt und rekursiv den Steuerausgangsvektor unter Verwendung einer Fehlerfunktion und einer Justierregel präzisiert, um den Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Maschinenzuständen und zukünftigen Maschinen-Sollzuständen zu verringern.
Der momentane Maschinenzustand kann durch einen Beobachter unter Verwendung des Modells und momentaner Maschinensensorsignale bereitgestellt werden, womit die Anzahl der erforderlichen Sensoren verringert werden kann. Alternativ oder in Kombination kann der Beobachter den momentanen Maschinenzustand unter Verwendung eines Modells ohne Sensoreingaben bereitstellen, zum Beispiel, wenn ein Steuerausgang u(t) bekannt ist. Ein oder mehrere Steuerausgänge werden an Aktuatoren, die der Maschine zugeordnet sind, entsprechend dem präzisierten Steuerausgangsvektor ausgegeben, wobei die Aktuatoren von einem beliebigen Typ sein können, einschließlich beispielsweise hydraulische und elektrische, lineare und rotierende Aktuatoren. Die Erfindung erreicht dadurch eine nicht-lineare modellgestützte prädiktive Steuerung mit klar erkennbaren Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen und Methodologien zum Steuern der Bewegung und/oder des Drucks von Formungsmaschinen mittels der Verwendung eines nichtlinearen Modells des Maschinenverhaltens und der iterativen oder rekursiven Präzisierung des Steuerausgangs. In dieser Hinsicht können die Steuervorrichtungen und -methodologien der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise verwendet werden, um kürzere Anstiegszeiten, weniger Überschuss, eine verbesserte Störungszurückweisungscharakteristik und eine verbesserte Profilemulation im Vergleich zu herkömmlichen Formungsmaschinensteuerungen zu erreichen.
Ein Aspekt der Erfindung stellt ein System zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer nicht-linearen Spritzgießmaschine bereit. Das Steuerungssystem umfasst ein Modell und ein Kontrollgesetz, wobei das Modell mehrere Zustandsgleichungen umfasst, die ein Verhalten der Spritzgießmaschine darstellen. Das Kontrollgesetz umfasst eine Simulatorkomponente, die geschätzte zukünftige Zustände der Spritzgießmaschine entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor simuliert, der Steuerausgangswerte aufweist, die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen. Der Simulator stellt die geschätzten zukünftigen Zustände unter Verwendung eines momentanen Zustandsvektors mit Zustandswerten, die einen momentanen Zustand der Spritzgießmaschine darstellen, und des Maschinenmodells bereit.
Das Kontrollgesetz umfasst des Weiteren einen Fehlerfunktionsbewerter, der einen Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen und zukünftigen Sollzuständen, wie zum Beispiel ein Geschwindigkeitsprofil, bestimmt, sowie eine Justierregel, die den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor entsprechend dem Fehler justiert, um einen präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor zu erzeugen. Das Kontrollgesetz präzisiert den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung der Justierregel, simuliert präzisierte geschätzte zukünftige Zustände unter Verwendung des Simulators und bestimmt einen präzisierten Fehler zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen in rekursiver Weise, bis ein Beendigungszustand eintritt, wie zum Beispiel, wenn eine maximale Zeit verstrichen ist, einen maximale Anzahl von Wiederholungen erfolgt ist oder wenn der Fehler oder dessen Änderungsrate kleiner als eine Schwelle ist. Ein Steuerausgang wird dann in einen oder mehrere Aktuatoren in der Formungsmaschine entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor einspeist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Steuerungssystem auch einen Beobachter umfassen, der Sensoreingaben empfängt und der den momentanen Zustand der Spritzgießmaschine unter Verwendung des Modells und der Sensoreingaben schätzt. Das Modell kann eine oder mehrere Differenzialgleichungen umfassen, wobei der Beobachter die Differenzialgleichungen unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und des momentanen Zustandsvektors löst, um den momentanen Zustand der Maschine, einschließlich gemessener und/oder ungemessener Zustände, bereitzustellen. Gleichermaßen löst der Simulator die Differenzialgleichungen, um zukünftige Maschinenzustände zu schätzen. In einer Implementierung können die Differenzialgleichungen des Modells unter Verwendung eines Runge-Kutta-Verfahrens gelöst werden. Alternativ können Differenzengleichungstechniken verwendet werden, um die Differenzialgleichungen des Modells zu lösen. Nachdem der Steuerausgang auf diese Weise für einen gegebenen Steuerzyklus bestimmt wurde, kann das Kontrollgesetz wenigstens einen Teil des zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors speichern. In einem anschließenden Steuerzyklus stellt das Kontrollgesetz einen ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor entsprechend einem zuvor gespeicherten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor aus einem vorangegangenen Steuerzyklus bereit. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung das Verringern der Anzahl von Wiederholungen, die erforderlich sind, um eine bestimmte Steuerausgangspräzisierung zu erreichen.
Das Kontrollgesetz kann des Weiteren eine Steuerausgangsfunktion und einen Steuerausgangsparameterumsetzer umfassen, wobei die Justierregel einen oder mehrere Koeffizienten aus dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor entsprechend der Steuerausgangsfunktion korreliert oder erzeugt. Die Justierregel bewertet dann eine oder mehrere partielle Differenzialgleichungen auf Fehler mit Bezug auf die Koeffizienten und justiert einen oder mehrere der Koeffizienten so, dass der Fehler verringert wird, was gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung unter Verwendung einer Konjugierter-Gradient-Technik erfolgen kann. Der Steuerausgangsparameterumsetzer setzt dann die justierten Koeffizienten entsprechend der Steuerausgangsfunktion um, um den präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor bereitzustellen, der dann in einer anschließenden Simulation verwendet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Steuerungssystem für Formungsmaschinen bereitgestellt, das ein Modell, einen Beobachter und ein Kontrollgesetz umfasst, wobei das System Bewegungen und/oder Druck in nicht-linearen Formungsmaschinen steuert. Der Beobachter empfängt Sensoreingangswerte und schätzt den momentanen Maschinenzustand unter Verwendung des Modells und der Sensorwerte, um einen momentanen Zustandsvektor bereitzustellen. Das Kontrollgesetz umfasst einen Simulator, einen Fehlerfunktionsbewerter und eine Justierregel, wobei der Simulator geschätzte zukünftige Zustände entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells bereitstellt. Der Fehlerfunktionsbewerter bestimmt einen Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen und zukünftigen Soll-Zuständen, und die Justierregel justiert den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor entsprechend dem Fehler, um einen präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor bereitzustellen. Das Kontrollgesetz präzisiert rekursiv den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor, bis ein Beendigungszustand eintritt, und stellt dann einen Steuerausgang entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor bereit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst Methodologien zum Steuern der Bewegung und/oder des Drucks in einer nicht-linearen Spritzgießmaschine. Die Verfahren umfassen das Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors mit mehreren Steuerausgangswerten, die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen, und das Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände der Spritzgießmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung eines Modells. Sie umfassen des Weiteren das Bestimmen eines Fehlers zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen und mehreren zukünftigen Soll-Zuständen, das Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors entsprechend einem Fehler zwischen geschätzten zukünftigen Zuständen und den mehreren zukünftigen Soll-Zuständen und das Ausgeben eines Steuerausgangs an mindestens einen Aktuator in der Spritzgießmaschine entsprechend einem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor.
Die Verfahren umfassen des Weiteren das Erhalten eines momentanen Zustandsvektors, das Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und das Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und eines Modells. Die Verfahren umfassen des Weiteren das Bestimmen eines Fehlers zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen und zukünftigen Soll-Zuständen und das rekursive Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors entsprechend dem Fehler. Die Präzisierung umfasst das Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells und das Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen, bis ein Beendigungszustand eintritt. Danach wird ein Steuerausgangsignal in wenigstens einen Aktuator in der Spritzgießmaschine entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor eingespeist. Ein Teil des endgül tigen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors kann zur Verwendung beim Bereitstellen eines ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors in einem anschließenden Steuerzyklus gespeichert werden.
Das Modell kann eine oder mehrere Differenzialgleichungen umfassen, wobei das Simulieren der mehreren geschätzten zukünftigen Zustände das Lösen der Differenzialgleichungen unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und des momentanen Zustandsvektors umfasst. Die Lösung der Differenzialgleichungen kann mittels numerischer Techniken, wie zum Beispiel einem Runge-Kutta-Verfahren, und/oder Differenzengleichungstechniken erfolgen. Das Erhalten des momentanen Zustandsvektors kann umfassen: Erhalten eines oder mehrerer Sensoreingangswerte und Schätzen des momentanen Zustands der Spritzgießmaschine unter Verwendung des Modells und der Sensoreingangswerte, wie zum Beispiel durch Berechnen von Zustandswerten, die einen momentanen Maschinenzustand darstellen, unter Verwendung des Modells, und Bilden eines momentanen Zustandsvektors unter Verwendung der berechneten Zustandswerte. Außerdem kann das Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors umfassen: Erzeugen von Koeffizienten aus dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor entsprechend einer Steuerausgangsfunktion, Bewerten einer oder mehrerer partieller Differenzialgleichungen aus Fehler mit Bezug auf die Koeffizienten, und Justieren eines oder mehrerer der Koeffizienten, um den Fehler zu verringern. Die Koeffizienten können zum Beispiel unter Verwendung eines Konjugierter-Gradient-Verfahrens justiert werden. Die justierten Koeffizienten werden dann entsprechend der Steuerausgangsfunktion umgesetzt, um den präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor bereitzustellen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine bereit, das Folgendes umfasst: Erhalten einer oder mehrerer Sensoreingaben, Schätzen eines momentanen Maschinenzustands unter Verwendung der Sensoreingaben und eines Modells, und Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors, der mehrere Steuerausgangswerte aufweist, die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Simulieren geschätzter zukünftiger Zustände der Formungsmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Zustands und des Modells, das Bestimmen eines Fehlers zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen und zukünftigen Soll-Zuständen, und das rekursive Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors. Die Präzisierung umfasst das Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände der Spritzgießmaschine entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Zustands und des Modells, und das Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen, bis ein Beendigungszustand eintritt. Ein Steuerausgangssignal wird dann entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor ausgegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium mit durch einen Computer ausführbaren Instruktionen zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine. Diese umfassen durch einen Computer ausführbare Instruktionen für das Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors mit mehreren Steuerausgangswerten, die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen, das Simulieren mehrerer ge schätzter zukünftiger Zustände der Spritzgießmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung eines Modells, und das Bestimmen eines Fehlers zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen und mehreren zukünftigen Soll-Zuständen. Sie umfassen des Weiteren Instruktionen zum Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors entsprechend einem Fehler zwischen geschätzten zukünftigen Zuständen und den mehreren zukünftigen Soll-Zuständen, und das Ausgeben eines Steuerausgangssignals an mindestens einen Aktuator in der Spritzgießmaschine entsprechend einem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die durch einen Computer ausführbaren Instruktionen zum Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors durch einen Computer ausführbare Instruktionen für ein rekursives Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände der Spritzgießmaschine entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung eines momentanen Zustands und des Modells und durch einen Computer ausführbare Instruktionen zum Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen, bis ein Beendigungszustand eintritt, umfassen.
Für die Erreichung der oben genannten und verwandter Zwecke legen die folgende Beschreibung und die angehängten Zeichnungen im Detail bestimmte veranschaulichende Aspekte und Implementierungen der Erfindung dar. Diese stellen lediglich einige wenige der verschiedenen Möglichkeiten dar, wie die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können. Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in gemeinsamer Betrachtung mit den Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein geschnittener teilweiser Seitenaufriss, der eine herkömmliche Spritzgießmaschine mit einer PLC-Steuereinheit veranschaulicht.
2 ist ein geschnittener teilweiser Seitenaufriss, der eine Spritzgießmaschine mit einem beispielhaften Steuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist ein geschnittener teilweiser Seitenaufriss, der die Spritzgießmaschine von 2 mit einem anderen beispielhaften Steuerungssystem gemäß der Erfindung veranschaulicht.
4 ist ein Schaubild, das weitere Details des Steuerungssystems von 3 veranschaulicht.
5 ist ein Schaubild, das einen beispielhaften momentanen Maschinenzustandsvektor für die Formungsmaschine von 3 gemäß der Erfindung veranschaulicht.
6 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes Modell der Formungsmaschine von 3 veranschaulicht.
7 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes Kontrollgesetz gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 ist ein geschnittener teilweiser Seitenaufriss, der weitere Details eines Hydraulikstempelpositionierungssystems mit der Formungsmaschine von 3 veranschaulicht.
9a und 9b veranschaulichen beispielhafte Diagramme von Geschwindigkeit bzw. Steuerausgang im Verhältnis zum Zeitpunkt t₀ für einen Stempeleinspritztakt in der Formungsmaschine von 3 unter Verwendung eines Steuerungssystems und von Methodologien gemäß der Erfindung.
10a und 10b veranschaulichen die Diagramme von Geschwindigkeit und Steuerausgang aus den 9a bzw. 9b und enthalten des Weiteren geschätzte zukünftige Geschwindigkeitszustände entsprechend einem anfänglichen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor zusammen mit dem entsprechenden Geschwindigkeitsfehler gemäß der Erfindung.
11a und 11b veranschaulichen die Diagramme von Geschwindigkeit und Steuerausgang aus den 9–10 einschließlich der Präzisierung der geschätzten zukünftigen Geschwindigkeitszustände, des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und des Geschwindigkeitsfehlers gemäß der Erfindung.
12a und 12b veranschaulichen die Diagramme von Geschwindigkeit und Steuerausgang aus den 9-11, einschließlich einer weiteren Präzisierung der geschätzten zukünftigen Geschwindigkeitszustände, des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und des Geschwindigkeitsfehlers gemäß der Erfindung.
13 ist ein dreidimensionales Diagramm des Fehlers E relativ zu zwei beispielhaften Parametern φ_l und φ₂, das eine beispielhafte Justierregel unter Verwendung einer Konjugierter-Gradient-Technik gemäß der Erfindung veranschaulicht.
14 ist ein geschnittener teilweiser Seitenaufriss, der eine Spritzgießmaschine mit Elektromotor-Aktuatoren für eine lineare und rotationale Positionierung des Stempels zusammen mit einem beispielhaften Steuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15a–15c sind Flussdiagramme, die ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden nun eine oder mehrere beispielhafte Implementierungen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen veranschaulicht und beschrieben, wobei immer gleiche Bezugszahlen zur Benennung gleicher Elemente verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung von Bewegungen und/oder Druck von Formungsmaschinen, wobei zukünftige Maschinenzustände entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor, dem momentanen Maschinenzustand und einem Modell der Maschine geschätzt werden und der Steuerausgangsvektor unter Verwendung einer Fehlerfunktion und einer Justierregel präzisiert wird, um den Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Maschinenzuständen und zukünftigen Maschinen-Sollzuständen zu verringern. Ein oder mehrere Steuerausgänge werden dann in Aktuatoren, die der Maschine zugeordnet sind, entsprechend dem präzisierten Steuerausgangsvektor eingespeist. Obgleich im Folgenden verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere beispielhafte Spritzgießmaschinen veranschaulicht und beschrieben werden, findet die Erfindung Anwendung auf Formungsmaschinen im Allgemeinen. Außerdem kann die Erfindung zum Betreiben einer Vielzahl verschiedener Formungsmaschinenaktuatoren in einer kontrollierten Weise verwendet werden, ein schließlich beispielsweise hydraulischer Aktuatoren und Elektromotoren.
Wenden wir uns nun den Zeichnungen zu, deren Darstellungen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung einer oder mehrerer beispielhafter Implementierungen der Erfindung und nicht dem Zweck ihrer Einschränkung dienen. 1 veranschaulicht eine Spritzgießmaschine 2 mit einem Einspritzmechanismus 10. Ein Teil eines Zuhaltemechanismus' und eines Formwerkzeugmechanismus 12 ist ebenfalls gezeigt. Der Einspritzmechanismus 10 enthält eine Einspritzschnecke oder einen Einspritzstempel 14, die bzw. der verschiebbar und drehbar innerhalb eines röhrenförmigen Zylinders 15 angeordnet ist. In dem veranschaulichten Mechanismus 10 wird eine Translation der Schnecke 14 innerhalb des Zylinders 15 durch einen hydraulischen Aktuator oder eine hydraulische Kupplung erreicht, der bzw. die einen abgedichteten Kolben 16 aufweist, der innerhalb eines Zylinders 17 bewegt werden kann. Die Rotation der Schnecke 14 wird durch die Rotation einer Antriebswelle 18 bewerkstelligt, die an einer mechanischen Getriebekupplung 20 befestigt it. Das Getriebe 20 ist mit einem Elektromotor 21, der eine entsprechende Motoransteuerung 22 aufweist, verbunden und wird durch diesen angetrieben. Alternativ kann die Rotation der Schnecke 14 durch einen (nicht gezeigten) herkömmlichen Hydraulikkolbenmotor erfolgen. Die Antriebswelle 18 ist so über ein Keilprofil mit dem Kolben 16 verbunden, dass der Kolben 16 innerhalb dieses Zylinders 17 gleiten kann, um eine Translation der Schnecke 14 zu bewirken, während die Rotation der Antriebswelle 18 den Kolben 16 veranlasst, die Schnecke 14 für Schneckenrückholungszwecke oder dergleichen zu drehen.
Wenn sich die Schnecke 14 durch Translation in Richtung des Formwerkzeugmechanismus' 12 bewegt, um (nicht gezeigtes) Formmaterial in einen Formenhohlraum 23 einzuspritzen, so wird sie gemeinhin als ein "Stempel" bezeichnet, obgleich auch eine andere Terminologie wie zum Beispiel "Spritzkolben" verwendet werden kann, um die Schnecke 14 während des Einspritzens zu beschreiben. Ein typischer Einspritztakt oder eine typische Einspritzphase des Formungszyklus' beginnt, wenn Formmaterial, das durch den Stempel 14 vorangeschoben wird, ein offenes Ende 24 des Zylinders 15 verlässt (Absperrventil nicht gezeigt), um anfangs in einen Formenhohlraum 23 einzutreten, und sich weiterbewegt, bis der Formenhohlraum 23 anfänglich mit Formmaterial befüllt ist, womit der Einspritztakt endet. Eine weitere Bewegung des Stempels 14 wird danach in der Verdichtungs- und Verweilphase des Formungszyklus' gesteuert, um zusätzliches Formmaterial in den Formenhohlraum 23 einzufüllen, um eine Volumenkontraktion während der Verfestigung des Formmaterials auszugleichen. Die Translationsbewegung des Kolbens 16 bewirkt direkt eine Translationsbewegung des Stempels 14 und wird durch ein Richtungs-Proportionalströmungssteuerventil 25 gesteuert.
Obgleich in 1 nicht veranschaulicht, kann im tatsächlichen Betrieb ein Einspritzverteiler vorhanden sein, der zum Beispiel – ohne darauf beschränkt zu sein – Ventile enthält, die die Ausgabe (zum Beispiel Druck und/oder Fluss) aus einer oder mehreren Einspritzpumpen steuern. Gleichermaßen kann ein (nicht gezeigter) separater Verteiler für Ventile vorhanden sein, die den Zuhaltemechanismus 12 des Formwerkzeugs steuern. Jedoch kann in jedem solchen Verteiler ein separates Proportionalströmungssteuerventil in dem Mechanismus 10 verwendet werden. In dem veranschaulichten Mechanismus 10 ist das Proportionalströmungssteuerventil 25 nur flussgesteuert, obgleich alternativ auch separate Proportionalströmungssteuerventile vorhanden sein können, um sowohl Druck als auch Fluss separat zu regulieren. Aufgrund der Pumpengröße, der hohen Drehmomentabgabe des Motors, der die Pumpe antreibt, und anderer Überlegungen braucht der Druck nicht separat gesteuert zu werden (außer durch ein herkömmliches Druckentlastungs-Sicherheitsventil 28). Dementsprechend wird in dem Mechanismus 10 von 1 ein Konstantförderpumpe 26 durch einen Motor 27 und eine zugehörige Motoransteuerung 31 angetrieben, wobei die Pumpe 26 eine solche Förderleistung hat und der Motor 27 eine solche Leistung hat, dass die Strömungssteuerung durch das Proportionalströmungssteuerventil 25 die Geschwindigkeit des Stempels 14 steuert. Die Pumpe 26 ist mit einem herkömmlichen Druckentlastungs-Sicherheitsventil 28 ausgestattet, das mit einem Sumpf 29 verbunden ist.
In 1 steuert eine herkömmliche Maschinensteuereinheit 30 den Betrieb des Einspritzmechanismus' 10 und ein Zuhaltesystem 40 zum Zuhalten des Formwerkzeugs 12. Die Steuereinheit 30 kann des Weiteren zum Steuern anderer (nicht gezeigter) Teilsysteme in der Maschine 2 verwendet werden, wie zum Beispiel Heizvorrichtungen zur Temperatursteuerung des Zylinders 15, Auswurfsysteme zum Auswerfen von Formteilen aus dem Formwerkzeug 12 oder dergleichen. Die Maschinensteuereinheit 30 enthält eine Benutzerschnittstelle oder eine Bedienerkonsolenstation 32, an der ein Bediener Daten oder Sollpunkte eingibt, die definieren, wie die Maschine betrieben werden soll, und eine programmierbare Logiksteuereinheit (PLC) 34. Die PLC 34 empfängt die Bedienerinstruktionen und Sensoreingaben von der Maschine, verarbeitet die Daten und erzeugt Steuerausgangs-Ansteuersignale für Aktuatoren an der Maschine für deren gesteuerten Betrieb entsprechend einer Proportional-Integral-Derivativ (PID)-Steuerkomponente 33. Die Steuerkomponente 33 kann, muss aber nicht, alle drei Faktoren der PID enthalten und kann des Weiteren zu sätzliche Faktoren enthalten, wie zum Beispiel zum Verhindern einer integralen Sättigung ("integral windup").
Zum Beispiel hat die Maschine 2 einen Stempelhubpositionssensor 35, der ein Messwandlersignal auf einer Stempelpositionssensorleitung 35a erzeugt, einen Formenhohlraumdrucksensor 39, der ein Drucksignal 39a ausgibt, und einen Stempeldrucksensor 38, der ein Drucksignal 38a ausgibt. Es können noch weitere (nicht gezeigte) Sensoren in der Maschine 2 installiert sein, um entsprechende Sensorsignale in die Steuereinheit 30 einzuspeisen. Die Steuereinheit 30 wiederum gibt Steuerausgangs- oder Ansteuersignale an verschiedene Aktuatoren in der Maschine 2 für deren Betrieb in einer kontrollierten Weise aus. Zum Beispiel erzeugt die PLC 34 ein analoges Ansteuersignal auf der Ansteuersignalleitung 37 an ein Magnetventil, das den Betrieb des Proportionalströmungssteuerventils 25 steuert, um die Translationsbewegung des Stempels 14 in der Richtung des Pfeils 42 während einer Einspritzphase des Formungszyklus' zu steuern. Außerdem gibt die Steuereinheit 30 Steuerausgangssignale 22a und 31a an Motoransteuerungen 22 bzw. 31 sowie ein Signal 40a an das Zuhaltesystem 40 aus.
Der Betrag, um den das Proportionalströmungssteuerventil 25 geöffnet oder geschlossen wird, steuert die Strömungsrate von Öl von der Pumpe 26 zum Steuern der Position und Geschwindigkeit des Kolbens 16 und letztendlich des Stempels 14. Der Sensor 38 stellt das Signal 38a bereit, das dem Druck entspricht, der durch den Stempel 14 auf die Schmelze in dem Zylinder 15 ausgeübt wird. Zusätzlich, oder in Kombination, enthält die Spritzgießmaschine 2 den Drucksensor 39, der den Druck der Schmelze in dem Formenhohlraum 23 detektiert und ein Drucksignal 39a an die PLC 34 ausgibt. Die Drucksensoren 38 und/oder 39 können als ein zusätzliches Signal zum Steuern der Geschwindigkeit des Stempels 14 verwendet werden.
Während die Steuereinheit 30 ein gewisses Maß an Steuerung der verschiedenen Teilsysteme in der Formungsmaschine 2 ausübt, gestatten herkömmliche Steuerungen in verschiedener Hinsicht keine Optimierung der Maschinenleistung. Zum Beispiel gestattet die PID-Steuerkomponente 33 der herkömmlichen Steuereinheit 30 keine Optimierung von Maschinenbewegungssteuerung in Gegenwart von Nichtlinearitäten oder Effekten höherer Ordnung in der Maschine 2. Im Sinne der folgenden Beschreibung gehören zu Nichtlinearitäten einschließlich beispielsweise Störungen in der Maschine 2, nichtlineare Komponenten, Dynamik hoher Ordnung wie zum Beispiel Energiespeicherung, und unbestimmte Zustände, welche die Steuereinheit 30 entweder nicht messen kann oder auf sonstige Weise bei der Erzeugung von Steuerausgangssignalen an die verschiedenen Aktuatoren, die der Maschine 2 zugeordnet sind, nicht berücksichtigt. Insbesondere in Formungsmaschinen wie zum Beispiel der Maschine 2 ist die Bewegungs- und/oder Drucksteuerung deshalb nicht optimal gewesen, was wenigstens zum Teil auf die Nichtlinearität von Teilsystemen, in denen sich Komponenten, wie zum Beispiel der sich verschiebende Stempel 14 und die hydraulischen Systeme dafür, bewegen, zurückzuführen ist. Nichtlinearitäten finden sich auch in der rotationalen Betätigung des Stempels 14 und in dem Zuhaltesystem 40 zum Zuhalten des Formwerkzeugs 12. Herkömmliche PID- und andere Steuereinheiten können für Prozess- oder Systemtransferfunktionen geeignet sein, die zwei dominante Pole aufweisen, wohingegen in richtigen Spritzgießmaschinen andere Pole existieren, die einen erheblichen Einfluss auf die Systemleistung haben können. Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise verbesserte Steuervorrichtungen und -ver fahren bereit, mit denen solche Nichtlinearitäten berücksichtigt werden können, um eine bessere Steuerung der Bewegungen und/oder Drücke innerhalb von Formungsmaschinen wie zum Beispiel der Maschine 2 zu erreichen.
Wenden wir uns nun 2 zu, wo eine beispielhafte Spritzgießmaschine 102 veranschaulicht ist, in der ein Einspritzmechanismus 110 zum Einspritzen einer (nicht gezeigten) plastifizierten Schmelze in einen inneren Hohlraum 123 eines Formwerkzeugs 112 unter Verwendung einer Schubschnecke 114 in kontrollierter Weise veranschaulicht ist. Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung enthält die Maschine 102 ein Steuerungssystem 130 oder ist mit einem Steuerungssystem 130 wirkverbunden, womit eine verbesserte Steuerung einer oder mehrerer Komponentenbewegungen und/oder von Drücken in der Maschine 102 erreicht werden kann. Obgleich die Erfindung im Folgenden im Kontext der Steuerung der Translationsbewegung verschiedener hydraulischer Betätigungskomponenten, die der Steuerung der Translationsbewegung des Stempels 114 zum Steuern des Schmelzendrucks zugeordnet sind, veranschaulicht und beschrieben wird, kann die Erfindung auch zum Steuern der Bewegung anderer Komponenten und/oder von Drücken in Verbindung mit anderen Komponenten in Formungsmaschinen als jenen Komponenten verwendet werden, die im vorliegenden Text veranschaulicht und beschrieben sind, und alle derartigen Implementierungen gelten als im Geltungsbereich der Erfindung und der angehängten Ansprüche enthalten. Des Weiteren sind zwar bestimmte veranschaulichende Aspekte der Erfindung in Verbindung mit hydraulischen Aktuatoren in der Formungsmaschine 102 beschrieben, doch dem Fachmann ist klar, dass die Erfindung auch in Verbindung mit dem Steuern der Bewegung und/oder des Drucks in Formungsmaschinen über eine hydraulische Betätigung, Elektromotor-Aktuatoren und andere Formen von Bewegungsaktuatoren verwendet werden kann und dass derartige Implementierungen in den Geltungsbereich der Erfindung fallen.
Der Einspritzmechanismus 110 enthält eine Einspritzschnecke oder einen Einspritzstempel 114, die bzw. der verschiebbar und drehbar in einem röhrenförmigen Zylinder 115 angeordnet ist. Die Translation der Schnecke 114 in der Richtung des Pfeils 142 wird durch einen hydraulischen Aktuator oder eine hydraulische Kupplung erreicht, der bzw. die einen abgedichteten Kolben 116 enthält, der innerhalb eines Zylinders 117 bewegt werden kann. Eine Rotation der Schnecke 114 wird durch die Rotation einer Antriebswelle 118 bewerkstelligt, die an einer mechanischen Getriebekupplung 120 befestigt ist. Das Getriebe 120 ist mit einen Elektromotor 121, der eine entsprechende Motoransteuerung 122 aufweist, verbunden und wird durch ihn angetrieben. Alternativ kann die Rotation der Schnecke 114 mittels eines (nicht gezeigten) herkömmlichen Hydraulikkolbenmotors erfolgen. Die Antriebswelle 118 ist über ein Keilprofil so mit dem Kolben 116 verbunden, dass der Kolben 116 innerhalb des Zylinders 117 gleiten kann, um eine Translation der Schnecke 114 zu bewirken, während die Rotation der Antriebswelle 118 den Kolben 116 veranlasst, die Schnecke 114 zu drehen.
In einem Einspritztakt oder einer Einspritzphase des Formungszyklus' wird (nicht gezeigtes) Formmaterial durch den Stempel 114 durch ein offenes Ende 124 des Zylinders 115 hindurch (Absperrventil nicht gezeigt) und in einen Formenhohlraum 123 hinein gedrückt, bis der Formenhohlraum 123 anfänglich mit Formmaterial befüllt ist, woraufhin der Einspritztakt endet. Eine weitere Bewegung des Stempels 114 wird anschließend in der Verdichtungsphase des Formungszyklus' gesteuert, um zusätzliches Formmaterial in den Formenhohlraum 123 einzuleiten, um eine Volumenkontraktion des Formmateri als während des Verfestigens auszugleichen. Die Translationsbewegung des Kolbens 16 bewirkt direkt eine Translationsbewegung des Stempels 114 und wird durch ein Richtungs-Proportionalströmungssteuerventil 125 gesteuert. Im Interesse der Kürze werden die verschiedenen Aspekte der Steuervorrichtungen und -techniken der vorliegenden Erfindung im Weiteren mit Bezug auf die Translationsbewegung des Stempels 114 während eines Einspritztakts oder einer Einspritzphase veranschaulicht und beschrieben, obgleich die Erfindung auf alle Formen der Bewegungs- und/oder Drucksteuerung in Formungsmaschinen angewendet werden kann.
Die beispielhafte Spritzgießmaschine 102 umfasst des Weiteren eine Konstantförderpumpe 126, die durch einen Motor 127 und eine zugehörige Motoransteuerung 131 angetrieben wird, welche die Translationsgeschwindigkeit und die Position des Stempels 114 steuert, wie schematisch durch die Pfeilskala 136 veranschaulicht. Die Pumpe 126 ist mit einem herkömmlichen Druckentlastungs-Sicherheitsventil 128 versehen, das mit einem Sumpf 129 verbunden ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Maschine 102 ein Steuerungssystem 130 zum Bereitstellen verschiedener Steuerausgangssignale, um eine oder mehrere darin angeordnete, sich bewegende Komponenten (zum Beispiel in dem Einspritzmechanismus 110 und/oder in dem Zuhaltesystem 140) in einer kontrollierten Weise zu betätigen. Außerdem kann das Steuerungssystem 130 des Weiteren dazu dienen, noch weitere Komponenten der Maschine 102 (nicht gezeigt) zu steuern, wie zum Beispiel Heizvorrichtungen für den Zylinder 115, Auswurfkomponenten, die zu dem Zuhaltesystem 140 gehören, oder dergleichen.
Das beispielhafte Steuerungssystem 130 umfasst eine PC-gestützte Hardware-Plattform mit Mikroprozessor, Speicher (zum Beispiel RAM, ROM usw.) und E/A-Schaltungen zum Senden und Empfangen von Daten zu oder von einem Benutzer und/oder einem Netzwerk (nicht gezeigt). Die verschiedenen Betriebskomponenten des Steuerungssystems 130, die im Weiteren veranschaulicht und beschrieben werden, können als Software-Komponenten oder -Objekte implementiert werden, die auf der Hardware-Plattform laufen und in einem Datenlager in einem Speicher gespeichert sein können und verschiedene Daten in einem Datenlager in einem Speicher bearbeiten können. Es versteht sich, dass die Steuervorrichtung gemäß der Erfindung nicht auf solche PC-gestützte Hardware-Implementierungen beschränkt ist und verschiedene Formen von Hardware, Software und Kombinationen daraus umfassen kann. Das Steuerungssystem 130 umfasst des Weiteren entsprechende Signalaufbereitungs- und -umwandlungsschaltungen (zum Beispiel A/D- und D/A-Wandler), um Sensoreingangssignale von verschiedenen Sensoren in der Maschine 102 zu empfangen und zu quantifizieren sowie um Steuerausgangs- oder Ansteuersignale an die verschiedenen darin befindlichen Aktuatoren auszugeben. Zum Beispiel empfängt das Steuerungssystem 130 Sensoreingangssignale 122a, 131a, 135a, 138a, 139a und 140a von Motoransteuerungen 122 und 131, einem Stempelpositionssensor 135, Drucksensoren 138 und 139 sowie von einem Zuhaltesystem 140. Das Steuerungssystem 130 leitet einen momentanen Maschinenzustand 150 (zum Beispiel einen Zustandsvektor) von einem oder mehreren der Sensorsignale 122a, 131a, 135a, 138a, 139a und 140a ab, wie im Folgenden unter Bezug auf 5 weiter veranschaulicht und beschrieben.
Der momentane Maschinenzustand 150 wird in jedem Steuerzyklus des Steuerungssystems 130 erzeugt und aktualisiert und wird in ein Kontrollgesetz 160 eingegeben oder, oder ein Kontrollgesetz 160 greift darauf zu. Zum Beispiel kann der momentane Maschinenzustand 150 als ein Array oder ein Zustandsvektor im Speicher oder einem Datenlager in dem Steuerungssystem 130 gespeichert werden, auf den das Kontrollgesetz 160 nach Bedarf zugreifen kann und der in jeder Steuerzyklusperiode (zum Beispiel 1 ms) periodisch mit neuen Sensoreingangsinformationen aktualisiert wird. Das Kontrollgesetz 160 empfängt ein Profil 170 (wie zum Beispiel eine Reihe zukünftiger Soll-Geschwindigkeitszustände, die dem Stempel 114 zugeordnet sind) oder greift auf ein solches Profil 170 zu, das benutzerdefinierte Geschwindigkeitswerte umfasst oder auf sonstige Weise aus benutzerdefinierten Geschwindigkeitswerten abgeleitet wird, die von einer Benutzerschnittstelle 132 in dem Steuerungssystem 130 erhalten werden. Das Kontrollgesetz 160, wie im Weiteren mit Bezug auf 7 ausführlicher veranschaulicht und beschrieben, gibt auf der Grundlage des momentanen Maschinenzustands 150 und einer Schätzung zukünftiger Zustände unter Verwendung eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und eines Modells 180 der Maschine 102 oder eines Teil der Maschine 102 ein oder mehrere Steuerausgangssignale oder -werte an verschiedene Aktuatoren in der Maschine 102 aus.
Zum Beispiel gibt das Kontrollgesetz 160 ein Steuerausgangssignal 137 an das Steuerventil 125 aus, um eine Längstranslation des Schneckenstempels 114 in der Richtung des Pfeils 142 in dem Zylinder 115 während eines Einspritzzyklus' zu bewirken. Außerdem gibt das Kontrollgesetz 160 des Steuerungssystems 130 Steuerausgangssignale 122b, 131b und 140b an Motoransteuerungen 122 und 131 und das Zuhaltesystem 140 aus. Das Steuerungssystem 130 kann noch andere Sensorsignale und/oder Daten von anderen Vorrichtungen über Sensoreingaben und Netzwerkkommunikationsverbindungen (nicht gezeigt) außer denen, die im vorliegenden Text veranschaulicht und beschrieben sind, eingeben, die zum Konstruieren des momentanen Maschinenzustands 150 und zum Aktuali sieren des Maschinenmodells 180 oder des Profils 170 verwendet werden können, und kann auch Ausgabeinformationen (zum Beispiel Steuerausgangswerte, Diagnoseinformationen usw.) an Aktuatoren und andere Vorrichtungen, die nicht ausdrücklich im vorliegenden Text veranschaulicht sind, über Signalleitungen und/oder Kommunikationsmedien (nicht gezeigt) ausgeben.
Das Modell 180 umfasst eine oder mehrere Differenzialgleichungen, die das Verhalten (zum Beispiel statisch und dynamisch) der Spritzgießmaschine 102 oder Teile davon darstellen, wie im Weiteren mit Bezug auf 6 ausführlicher veranschaulicht und beschrieben. In dem beispielhaften Steuerungssystem 130 umfasst das Kontrollgesetz 160 ein oder mehrere Software-Objekte oder -Komponenten in einem Objekt-orientierten Software-System, das auf der PC-gestützte Hardware-Plattform arbeitet. Das Profil 170 und der momentane Maschinenzustand 150 können in einem Speicherdatenlager in dem System 130 zum Zugreifen und Aktualisieren durch externe Einflüsse (zum Beispiel über die Benutzerschnittstelle 132) und/oder durch prozessbezogene Einflüsse (zum Beispiel über Sensoreingangswerte) gespeichert werden. Außerdem können das Profil und/oder der momentane Maschinenzustand durch verschiedene Softwareobjekte in dem Steuerungssystem 130 (wie zum Beispiel das Kontrollgesetz 160) bearbeitet und/oder auf sonstige Weise darauf zugegriffen werden. Obgleich das beispielhafte Steuerungssystem 130 als eine Objektorientierte Software-Implementierung strukturiert ist, werden auch andere Implementierungen in Hardware, Software und/oder Kombinationen daraus innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen.
Wenden wir uns nun 3 zu, wo eine weitere beispielhafte Implementierung der Spritzgießmaschine 102 veran schaulicht ist, wobei ein Steuerungssystem 130' zusätzlich zu einer Benutzerschnittstelle 132, einem momentanen Zustand 150, einem Kontrollgesetz 160, einem Profil 170 und einem Modell 180 noch eine Beobachter-Komponente 190 umfasst, wie oben beschrieben. Wie im Folgenden weiter besprochen, empfängt der Beobachter 190 Eingangssensorwerte (zum Beispiel Sensorsignale 122a, 131a, 135a, 138a, 139a und/oder 140a) und erzeugt den momentanen Maschinenzustand 150 daraus unter Verwendung des Modells 180 und des Kontrollgesetzes 160. Auf diese Weise kann der Beobachter 190 den momentanen Maschinenzustand 150 bereitstellen, der verschiedene physische Zustände der Maschine 102 anzeigt, einschließlich eines oder mehrerer Werte, die Zustände darstellen, die nicht direkt in der Maschine 102 gemessen werden. Der beispielhafte Beobachter 190 kann darüber hinaus eine Software-Komponente oder ein Software-Objekt sein, die bzw. das auf einer PC-gestützten Hardware-Plattform des Steuerungssystems 130' läuft, oder kann in einer beliebigen geeigneten Hardware oder Software oder Kombinationen daraus gemäß der Erfindung implementiert sein.
Unten wird eine beispielhafte Beobachtersoftware-Implementierung beschrieben, wobei ein Quellcode in der Programmiersprache C veranschaulicht ist, und die in einem Objekt-orientierten System kompiliert werden und ablaufen kann, wie zum Beispiel einer PC-gestützten Steuerungssystem-Hardware-Plattform 130'. Der Beobachter 190 kann eine oder mehrere Komponenten oder Objekte umfassen, die jeweils auf das Beobachten von Zuständen gerichtet sind, die sich auf ein Teilsystem in der Maschine 102 beziehen, wie zum Beispiel die hydraulische Betätigung des Stempels 114. Zum Beispiel kann der unten besprochene Beobachter-Code momentane Zustandsinformationen bezüglich verschiedener hydraulischer Komponenten innerhalb der Maschine 102 auf der Grundlage von Sensoreingangsinformationen von dem Positions sensor 135 und dem Hydraulikzylinderdrucksensor 130 von 3 erzeugen. Der Betrieb dieses Teils der Maschine 102 wird im Weiteren mit Bezug auf 8 weiter veranschaulicht und beschrieben:
Weitere Details des beispielhaften Steuerungssystems 130' sind in 4 veranschaulicht, wobei das Modell 180 eine ganze Zahl "J" an Gleichungen 281, 282 bis 283 umfasst, von denen eine oder mehrere Differenzialgleichungen sein können. Die Gleichungen 281, 282 bis 283 des Modells 180 repräsentieren verschiedene Verhaltenscharakteristika der beispielhaften Spritzgießmaschine 102 unter Verwendung von Gleichungskoeffizienten 210, die für die Maschine 102 spezifisch sind, wobei einzelne Koeffizienten 211, 212 bis 213 über die Benutzerschnittstelle 132 bereitgestellt werden können und/oder über andere Mittel abgeleitet werden können. Die Koeffizienten 210 zum Beispiel können physische Charakteristika der Maschine 102 oder ihrer Komponenten darstellen, wie zum Beispiel Masse, Trägheit, Reibungskoeffizienten, Öffnungsgrößen oder sonstige physische Eigenschaften. Diese Koeffizientwerte 210 können für eine bestimmte Maschine geschätzt werden und/oder können unter Verwendung eines Parameteridentifizierungsverfahrens abgeleitet werden.
Zum Beispiel kann eine bekannte Reihe von Befehlen oder Steuerausgangswerten 240 aus dem Steuerungssystem 130' an die Maschine 102 in einer Offline-Situation ausgegeben werden, und die verschiedenen Sensoreingangswerte 220 können aufgezeichnet werden. Eine Kostenfunktion, zum Beispiel eine integrierte absolute Fehlerfunktion, kann dann verwendet werden, um die Differenz zwischen einer erwarteten Reaktion des Modells 180 (zum Beispiel unter Verwendung der bekannten Werte 240 und eines bestimmten Satzes Koeffizienten 210) und der tatsächlichen (zum Beispiel gemessenen) Maschinenreaktion zu ermitteln. Die Kostenfunktion stellt eine Zahl oder einen Wert bereit, die bzw. der anzeigt, wie gut die momentanen Koeffizienten 210 mit der tatsächlichen gemessenen Reaktion korrelieren, und eine Minimierungsregel kann dann verwendet werden, um die Koeffizienten 210 so zu justieren, dass sie besser mit der Maschine 102 übereinstimmen.
Die Koeffizienten 210 und die Modellgleichungen 281–283 werden in einem Datenlager in dem Speicher des Steuerungssystems 130' gespeichert, wodurch der Zugriff darauf durch verschiedene Software- oder Hardware-Komponenten in dem System 130' vereinfacht wird. Insbesondere kann das Kontrollgesetz 160 auf das Modell 180 zugreifen, um geschätzte zukünftige Maschinenzustände zu simulieren, indem einige oder alle der Gleichungen 281–283 unter Verwendung des momentanen Zustands 150 und eines geschätzten Satzes oder Vektors von Steuerausgangswerten gelöst werden.
Außerdem kann der Beobachter 190 auf das Modell 180 zugreifen, um die momentanen Maschinenzustandsvariablen 150 bereitzustellen. Der Beobachter 190 gibt eine ganze Zahl "Q" von Sensoreingangssignalen 220 ein, die von verschiedenen Sensoren 222 und/oder von Aktuatoren 224 in der Maschine 102 abgeleitet wurden, und stellt die momentanen Zustandsvariablen 150 in Form eines momentanen Zustandsvektors bereit, der einen oder mehrere Werte umfasst und der seinerseits durch das Kontrollgesetz 160 beim Bestimmen einer ganzen Zahl "N" von Steuerausgangswerten in Form eines Steuerausgangsvektors 240 verwendet wird. Die Steuerausgangswerte 240 werden dann in Aktuatoren 224 in der Maschine 102 eingespeist, um einen gewünschten Betrieb der Maschine zu bewirken. Zum Beispiel kann das Kontrollgesetz 160 zusätzlich zum Steuern verschiedener anderer Bewegungen oder Drücke in der Maschine 102 einen Steuerausgangswert 137 (3) bereitstellen, um das Steuerventil 125 so zu betätigen, dass eine gewünschte Stempelgeschwindigkeit bewirkt wird, wobei der Beobachter das Stempelpositionssensorsignal 135a und das Drucksignal 138a liest und Zustandsvariablen in dem Vektor 150 bereitstellt, welche die Position, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Schubschnecke 114 sowie Drücke und Strömungen in den verschiedenen Hydraulikschläuchen oder Leitungen, die dem Steuerventil 125 zugeordnet sind, anzeigen. Auf diese Weise steuert das Steuerungssystem 130' die Bewegungen von einer oder mehreren Komponenten in der Maschine 102.
Wenden wir uns nun den 5-8 zu. Es wird nun die Hydraulikvorrichtung besprochen, die zum Bewirken einer linearen Translation der Schubschnecke 114 in der Maschine 102 verwendet wird, um verschiedene Aspekte des beispielhaften Steuerungssystems 130' weiter zu veranschaulichen. Insbesondere werden, wie in 8 veranschaulicht, die hydraulischen Komponenten, die zum Erzeugen einer Längstranslation des Stempels 114 in der Maschine 102 verwendet werden, zusammen mit verschiedenen zugehörigen Strömungen q₁, q₂, q₃ und q₄ und Drücken p₁, p₂ und p₃ veranschaulicht. In 5 sind Details eines Teils des momentanen Maschinenzustands 150, der dem Hydraulikstempeltranslations-Teilsystem entspricht, veranschaulicht. Der momentane Zustandsvektor oder Maschinenzustand 150 umfasst mehrere Zustandswerte s, q₁, q₂, q₃, q₄, p₁, p₂, p₃, q₁', q₂', q₃', q₄', p₁', p₂', p₃', sp, F_p und F_q, die einen momentanen Zustand der Spritzgießmaschine 102 mit Bezug auf die Hydraulik von 8 darstellen. Der momentane Zustand 150 umfasst auch andere Zustandsvariablen, die sich auf andere Komponenten und Teilsystem-Zuständen in der Spritzgießmaschine 102 beziehen, aber in 5 weggelassen sind.
6 veranschaulicht ein beispielhaftes Modell 180, das mehrere Zustandsgleichungen aufweist, die ein Verhalten der Spritzgießmaschine 102 darstellen. Das Modell stellt im weiten Sinne Zustandsgleichungen in Form der folgenden Gleichung (1) bereit: X'(t) = F(X(t)) + G(t) + u(t), (1)welche die Änderungsrate der Zustandswerte X(t) als eine Funktion "F" des momentanen Zustands zuzüglich einer Störungsfunktion G(t) und der momentanen Steuerausgangsvektorwerte u(t) darstellt. Insbesondere stellen die Gleichungen E1 bis E15 in 6 das modellierte Verhalten des Teils der Maschine 102, der in 8 veranschaulicht ist, in Bezug auf die hydraulische Längsbetätigung der sich verschiebenden Schubschnecke 114 dar. In den veranschaulichten Beispielgleichungen E1 bis E13 und dem momentanen Maschinenzustand 150 ist "s" die Position der Schubschnecke 114 in der Richtung des Pfeils 142, sind q₁–q₄ die Hydraulikfluidströmungen, die in 8 angedeutet sind, sind p₁–p₃ die Drücke in 8, sind q₁'–q₄' und p₁'–p₃' die Änderungsraten der Strömungen und Drücke, ist sp die Schieberposition des Steuerventils 137, ist F_p eine Laststörung und ist F_q eine Strömungsstörung.
Die verschiedenen Koeffizienten (zum Beispiel die Koeffizienten 210 von 4), die in den beispielhaften Gleichungen E1–E15 von 6 angedeutet sind, stellen verschiedene physische Charakteristika der Maschine 102 dar und können empirisch ermittelt werden und/oder können anhand von CAD-Daten für die verschiedenen Maschinenkomponenten abgeleitet. Zum Beispiel stellen C₁–C₃ die fluidischen Kapazitäten der Schläuche h₁, h₂ und h₃, die in 8 den jeweiligen Drücken P₁–P₃ zugeordnet sind. "a₀" ist die der Pumpe 126 zugeordnete Pumpendruckströmungskurve, und "a₁" ist das Hydraulikzylinderbohrungsflächenverhältnis von Stangenende zu Bohrungsende für den Zylinders 117. A₁(v) ist die eintrittsseitige Öffnungsfläche für das Steuerventil 125, A₂(v) ist die auslassseitige Öffnungsfläche für das Steuerventil 125, und "v" ist die Spannung, die an das Ventil 125 über das Steuerausgangssignal 137 von dem Steuerungssystem 130' angelegt wird. Andere derartige (nicht gezeigte) Gleichungen in dem Modell 180 entsprechen anderen Teilsystemen und Komponenten und deren Verhaltenscharakteristika in der beispielhaften Maschine 102.
7 veranschaulicht weitere Details des beispielhaften Kontrollgesetzes 160 in dem Steuerungssystem 130'. Das Kontrollgesetz 130' schätzt zukünftige Maschinenzustände entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263, dem momentanen Maschinenzustand 150 und dem Modell 180 der Maschine und präzisiert rekursiv den Steuerausgangsvektor 263 unter Verwendung einer Fehlerfunktion und einer Justierregel 268, um den Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Maschinenzuständen und zukünftigen Maschinen-Sollzuständen R(s) 267 zu verringern. Der momentane Maschinenzustand 150 kann durch den Beobachter 190 unter Verwendung des Modells 180 und momentaner Maschinensensorsignale bereitgestellt werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Sensoren verringert werden kann. Alternativ (wie zum Beispiel in dem Steuerungssystem 130 von 2) kann der momentane Zustand 150 allein auf der Grundlage von Sensorsignaleingängen bereitgestellt werden. Ein oder mehrere Steuerausgänge 240 werden dann in Aktuatoren 224 (zum Beispiel 4), die der Maschine 102 zugeordnet sind, entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 von dem Kontrollgesetz 160 eingespeist.
Die Simulatorkomponente 261 in dem beispielhaften Steuerungssystem 130' ist eine Software-Komponente oder ein Software-Objekt, die bzw. das auf der Hardware-Plattform des Systems 130' läuft und die dazu dient, mehrere geschätzte zukünftige Zustände 262 der Spritzgießmaschine 102 entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263, der mehrere Steuerausgangswerte aufweist, die Steuerausgänge 240 an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen, unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors X(t₀) 264 von dem momentanen Maschinenzustand 150 und des Modells 180 zu simulieren. Zum Beispiel ist einer der Steuerausgangswerte in dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 ein Spannungssignalwert, der zum Einspeisen in das hydraulische Steuerventil 125 geeignet ist. Der Simulator 261 ist dafür geeignet, die Differenzialgleichungen des Modells 180 unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors 263 und des momentanen Zustandsvektors 150 zu lösen. Zum Beispiel verwendet die beispielhafte Simulatorkomponente 261 des Kontrollgesetzes 160 eine oder mehrere numerischen Techniken, wie zum Beispiel ein Runge-Kutta-Verfahren oder Differenzengleichungstechniken, zum Lösen der Gleichungen 265 von dem Modell 180, um die geschätzten zukünftigen Zustände 262 zu simulieren.
Das Kontrollgesetz 160 umfasst des Weiteren einen Kosten- oder Fehlerfunktionsbewerter 266, der einen Fehler E zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen 262 und den zukünftigen Soll-Zuständen R(s) 267 von dem benutzerdefinierten Profil 170 ermittelt. In dem veranschaulichten Beispiel umfasst das Profil 170 ein Geschwindigkeit-Zeit-Profil für die Längstranslation des Stempels 114, und die zukünftigen Soll-Zustände R(s) 267 können davon abgeleitet werden. Der Fehler E zeigt somit die Eignung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors u(t) 263 an, der zu Beginn durch das Kontrollgesetz 160 bereitgestellt wurde. Wie unten dargelegt, kann der anfängliche vorgeschlagene Steuerausgangsvek tor u(t) 263 von einem endgültigen (zum Beispiel präzisierten) Steuerausgangsvektor aus einem vorherigen Steuerzyklus abgeleitet werden, wodurch der Fehler E verringert werden kann und die rekursive Steuerausgangspräzisierung des Kontrollgesetzes 160 verbessert werden kann.
Das Kontrollgesetz 160 umfasst auch eine Justierregel 268, die dazu dient, den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 entsprechend dem Fehler E zu justieren oder zu präzisieren, und eine Steuerausgangsfunktion u(t) = h(φ, t), die als ein Steuerausgangsparameterumsetzer 169 gezeigt ist, wobei die Justierregel 268 mehrere Koeffizienten φ_i 270 von dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 entsprechend der Steuerausgangsfunktion u(t) = h(φ, t) erzeugt oder korreliert, und bewertet mehrere partielle Differenzialgleichungen [∂E/∂φ_i] auf Fehler mit Bezug auf die mehreren Koeffizienten φ_i, Es kommen noch weitere Implementierungen von Justierregeln in Betracht, die alle in den Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung fallen, zum Beispiel wobei eine einzelne Präzisierung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors durch eine Justierregel 268 bewerkstelligt wird, die eine inverse Operation ausführt, um einen präzisierten Steuerausgangsvektor zu erhalten, der dann als der momentane Steuerausgang u(t) 240 bereitgestellt werden kann, speziell wenn die Maschine 102 (oder zum Beispiel das Teilsystem der Maschine 102, das gesteuert wird) zu einem gewissen Grad linear ist.
Bei der im vorliegenden Text veranschaulichten beispielhaften Implementierung ist u(t) = h(φ, t) eine Funktion, die einen Ausgabewert u(t) für eine bestimmte Zeit t auf der Grundlage von acht Parametern φ bereitstellt, wodurch ein Vektor φ gebildet wird. Die acht Parameter φ sind die Koordinaten von vier Paaren von Punkten von u(t) bei t, wobei der Wert von u(t) zwischen jedem der Paare von Punkten eine lineare Interpolation zwischen den Punkten ist. Somit können die acht Werte für φ verwendet werden, um 250 Werte von u(t) darzustellen, wobei weniger Rechenressourcen zur Minimierung des Fehlers E benötigt werden. Die Koeffizienten φ werden unter Verwendung numerischer Techniken so justiert, dass der Fehler E in dem Kontrollgesetz 160 verringert wird, wobei der Steuerausgangsparameterumsetzer 269 anschließend die justierten Koeffizienten φ entsprechend der Steuerausgangsfunktion u(t) = h(φ, t) zu einem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor u(t) 263 umsetzt. Zum Beispiel verwendet eine Implementierung des beispielhaften Kontrollgesetzes 160 eine Konjugierter-Gradient-Technik zum Justieren der Werte der Koeffizienten φ, obgleich auch andere Techniken innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung verwendet werden können, wie zum Beispiel variable metrische Optimierungen oder dergleichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung präzisiert das Kontrollgesetz 160 rekursiv den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 unter Verwendung der Justierregel 268, um präzisierte geschätzte zukünftige Zustände 263 unter Verwendung des Simulators 261 zu simulieren, und bestimmt einen präzisierten Fehler E zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen 262 und den zukünftigen Soll-Zuständen R(s) 267, bis ein Beendigungszustand eintritt. Zum Beispiel beendet das beispielhafte Kontrollgesetz 160 den Präzisierungsprozess, wenn entweder eine zuvor festgelegte Zeit verstreicht (um zum Beispiel die Ausgabe eines Steuerausgangsvektors an die Maschine 102 vor dem Ende des momentanen Steuerzyklus' zu gewährleisten), eine zuvor festgelegte Anzahl von Wiederholungen eintritt (um zum Beispiel Endlosschleifen zu vermeiden), bis festgestellt wird, dass der zuletzt präzisierte Fehler E unterhalb eines zuvor festgelegten Schwellenwertes liegt, oder bis die Änderungsrate des Fehlers E unterhalb einer Schwelle liegt.
Sobald eine dieser Beendigungsbedingungen erfüllt ist, gibt das Kontrollgesetz 160 einen Steuerausgang u(t₀) 240 an die Aktuatoren 224 (4) in der Spritzgießmaschine 102 entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 aus. In dieser Hinsicht kann der vorgeschlagene Steuerausgangsvektor ein Array oder eine Matrix aus Steuerausgangsvektoren umfassen, wobei jeder Spaltenvektor mehrere Steuerausgangswerte 240 umfasst, die individuell für einen bestimmten Aktuator 224 in der Maschine 102 bestimmt sind und wobei jede Zeile eines solchen Vektors die geschätzten Steuerausgangswerte an einem bestimmten Zeitpunkt darstellt. Somit können einzelne Steuerausgangsvektoren in einem solchen Array 263 für eine Anzahl von Steuerzyklen ab dem momentanen Zeitpunkt t₀ entlang eines Zeitfensters (oder zum Beispiel eines Zeithorizonts) einer Anzahl von Steuerzyklen, wie zum Beispiel 250, bereitgestellt werden. Wie oben angesprochen, kann das Kontrollgesetz 160 wenigstens einen Teil des zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors 263 (zum Beispiel die 249 zukünftigen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektoren des Array aus 250 solcher Vektoren) zur Verwendung in zukünftigen Steuerzyklen als eine anfängliche Schätzung speichern. Zum Beispiel kann das Kontrollgesetz 160 in einem anschließenden Steuerzyklus einen ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 als einen anfänglichen "Keim" entsprechend einem zuvor gespeicherten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor 263 aus einem vorherigen Steuerzyklus für den rekursiven Präzisierungsprozess der Erfindung bereitstellen. Alternativ kann der kleinere Satz Koeffizienten φ_i, oder ein Teil davon, zur Verwendung in anschließenden Steuerzyklen gespei chert werden, anstatt den größeren Satz von u(t) Werten (oder zum Beispiel einen Teil davon) zu speichern.
Die 9a bis 12b sind eine Illustration der Fähigkeiten zur Optimierung rekursiver Steuerausgänge des beispielhaften Steuerungssystems 130' im Kontext des Steuerns der Längstranslation des Stempels 114 entsprechend einem benutzerdefinierten Druck-Zeit-Profil (wie zum Beispiel dem Profil 170). 9a zeigt ein Diagramm 400 mit einem Druckprofil 402, das einer Reihe von Soll-Schmelzdrücken p(t) entspricht, die der Längsbewegung des Stempels 114 während eines Einspritztakts in der Maschine 102 zugeordnet sind. Das Diagramm 400 veranschaulicht des Weiteren eine Ist-Druckkurve 404 durch den Zeitpunkt t₀. 9b veranschaulicht ein entsprechendes Diagramm 406 mit einer Steuerausgangskurve u(t) 408 durch t₀. Der veranschaulichte Steuerausgang u(t) 408 stellt das Steuersignal 137 dar, das in das Steuerventil 125 in 8 eingespeist wird, was zu dem tatsächlichen Druck p(t) 404 durch den Zeitpunkt t₀ führt, was der Soll-Druckprofilkurve 402 dicht angenähert ist. Wenden wir uns auch 4 zu. Bei jedem Steuerzyklus, wie zum Beispiel beim Zeitpunkt t₀, verwendet der Beobachter 190 das physische Modell 180 zusammen mit den Sensoreingangssignalen 220 zum Schätzen der internen Zustände für die Formungsmaschine 102.
Der Teil des Modells 180, der sich auf die hydraulischen Komponenten von 8 bezieht (zum Beispiel die Gleichungen E1 bis E15), wird durch den Beobachter 190 zum Schätzen der Zustände des momentanen Zustandsvektors 150, der die Drücke und Strömungen durch das Ventil 125 und die Schlauchsektionen h1–h3 hindurch darstellt, auf der Grundlage des Stempelpositionssignals 135a von dem Sensor 135 und des Drucksensorsignals 138a verwendet, wobei der Beobachter 190 Vorhersagen unter Verwendung des Modells 180 zusammen mit einer geeigneten Differentiation und/oder Integration der verschiedenen Sensorsignale (zum Beispiel zum Erhalten der momentanen Geschwindigkeit aus Positionsinformationen) zum Beispiel unter Verwendung digitaler Filterung und Rückwärtsausbreitung beobachteter Fehler verwenden kann. Das Kontrollgesetz 160 wird dann verwendet, um ein Steuerausgangssignal 137 zu berechnen, das zu einem Druck führt, der am besten mit der Solltrajektorie 402 übereinstimmt. Das Kontrollgesetz 160 implementiert eine Variation einer Technik des zurückweichenden Horizonts zusammen mit einem optimierten rekursiven Spritzverfahren, mit dem nicht-lineare Maschinensysteme und Modelle mit komplexen Energiespeicherungsmodi simuliert werden können.
Das Steuerungssystem 130' gibt mit Steuerzyklusintervallen von 1 ms Sensorinformationen 220 ein und Steuerausgangssignale 224 aus. Bei jedem Steuerzyklus (wie zum Beispiel dem momentanen Zeitpunkt t₀ in den 9a und 9b) wird das Modell 180 iterativ von dem momentanen Zustand (der zum Beispiel durch den Beobachter 190 bereitgestellt wird) über einen Horizontzeitraum H (zum Beispiel 250 Steuerzyklen oder 250 ms) hinweg unter Verwendung eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors u(t) 263 (7) weiterbewegt. Wenden wir uns auch den 10a und 10b zu. In 10b ist ein anfänglicher geschätzter Steuerausgang 408' veranschaulicht, der sich von dem momentanen Zeitpunkt t₀ bis t₀ + H erstreckt. Obgleich das veranschaulichte Beispiel einen Horizontzeitraum H von 250 Steuerzyklen verwendet, sind auch andere Horizonte innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel kann der Horizont H so gewählt werden, dass über die Reaktionszeiten des interessierenden Teilsystems der Maschine 102 hinaus geschätzt oder simuliert wird, während Rechenressourcen geschont werden.
Der vorgeschlagene Steuerausgangsvektor 263 kann als eine Funktion eines begrenzten Satzes von Koeffizienten φ_i 270 unter Verwendung einer Steuerausgangsfunktion u(t) = h(φ, t) definiert werden und kann zu Beginn von zuvor gespeicherten geschätzten Steuerausgängen aus einem vorherigen Steuerzyklus abgeleitet werden. Der daraus resultierende entsprechende Druck p(t) 404' wird durch das Kontrollgesetz 160 unter Verwendung des Modells 180 und des momentanen Zustands 150 simuliert. Die Differenz zwischen den geschätzten zukünftigen Drücken 404' und den Solldrücken (zum Beispiel entlang dem Profil 402) ist in 10a als ein Bereich 410 veranschaulicht, der mehrere nicht-angrenzende Abschnitte 410a und 410b über den Horizontzeitraum H hinweg umfassen kann (zum Beispiel die momentane Zeit t₀ bis t₀ + H). Somit stellt der Fehlerfunktionsbewerter 266 des Kontrollgesetzes 160 eine Fehleranzeige E bereit, welche die Qualität des anfänglichen geschätzten Steuerausgangssignals u(t) 408' darstellt.
Die Steuerausgangskoeffizienten φ_i 270 werden dann entsprechend der Justierregel 268 unter Verwendung eines Konjugierter-Gradient-Verfahrens präzisiert, wie im Weiteren ausführlicher mit Bezug auf 13 veranschaulicht und beschrieben. Wie in den 11a und 11b gezeigt, wird dann ein präzisierter geschätzter Steuerausgang u(t) 408'' verwendet, um eine präzisierte Schätzung des zukünftigen Stempeldrucks 404'' unter Verwendung des momentanen Zustands 150 und des Modells 180 zu simulieren, wobei der Druck 404'' die Solldrucktrajektorie 402 genauer emuliert, als es der vorher geschätzte Druck 404' von 10a tat. Infolge dessen ist der Fehlerbereich 410' (zum Beispiel Abschnitte 410a' und 410b') geringer als in der vorangegangenen Wiederholung. Das Kontrollgesetz 160 fährt fort, auf diese Weise den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor rekursiv zu präzisieren, bis eine zuvor festgelegte Anzahl von Wiederholungen ausgeführt wurden, bis eine zuvor festgelegte Zeit verstrichen ist oder bis der Fehler E, oder eine Änderungsrate des Fehlers E, kleiner als ein zuvor festgelegter Schwellenwert ist.
Zum Beispiel ist eine weitere Wiederholung in den 12a und 12b veranschaulicht, wobei ein weiterer präzisierter Steuerausgang 408'' einen zweiten präzisierten geschätzten Druck 404'' mit einem entsprechend kleineren Fehlerbereich 410'' erzeugt. Sobald die iterative Präzisierung endet, wird dann der Teil des endgültigen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors, der zu der momentanen Zeit t₀ in Beziehung steht, als der Steuerausgang 240 in die Formungsmaschinenaktuatoren 224 eingespeist (zum Beispiel einschließlich eines Steuersignals an das Hydraulikventil 125, um den Stempel 114 zu betätigen). Der übrige Teil (zum Beispiel der, der zu den Zeitpunkten t₀ + 1 bis t₀ + 249 in Beziehung steht), wird dann zur Verwendung im nächsten Steuerzyklus als der anfängliche vorgeschlagene Steuerausgangsvektor 263 gespeichert. Alternativ können die zuletzt präzisierten Werte von φ zur Verwendung in anschließenden Steuerzyklen gespeichert werden. Es wurde festgestellt, dass die Wiederverwendung geschätzter Steuerausgangs- oder φ-Werte die Maschinenleistung verbessert, indem bessere Schätzungen in weniger Wiederholungen bereitgestellt werden als in dem Fall, wo die anfängliche Schätzung für Steuerausgangswerte durch andere Mittel abgeleitet wird.
Wenden wir uns auch 13 zu, wo ein beispielhaftes dreidimensionales Diagramm 450 für zwei Steuerausgangsfunktionskoeffizienten φ₁ und φ₂ im Verhältnis zu einer Fehlerfunktion E veranschaulicht ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Koeffizienten φ₁ und φ₂ unter Verwendung der Justierregel 268 durch eine Konju gierter-Gradient-Technik justiert, um den Fehler E zu minimieren oder zu verringern. Zum Beispiel ist eine Implementierung einer solchen Konjugierter-Gradient-Minimierung das Newton-Ralphson-Verfahren der sukzessiven Approximation. Wie in 13 veranschaulicht, ist die Fehlerfunktion E eine Fläche 452 mit einem lokalen Minimum 454. Wenn sich der anfängliche geschätzte Fehler 410 (10a) von dem Fehlerfunktionsbewerter 266 nicht an dem Minimum 454 auf der Fläche 452 befindet, so verwendet die Justierregel 268 die Konjugierter-Gradient-Technik zum Justieren der Werte von φ₁ und/oder φ₂ entlang der Linie 456 in Richtung des Minimumpunktes 454. Die justierten φ-Werte werden dann verwendet, um einen präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor zur Verwendung in der nächsten Simulation abzuleiten. Auf diese Weise optimiert das beispielhafte Kontrollgesetz 160 rekursiv die Steuerausgangswerte, um den Fehler E zu verringern, bevor es einen endgültigen präzisierten Steuerausgangsvektor an die Aktuatoren in der Formungsmaschine 102 sendet. Es ist an diesem Punkt festzustellen, dass die beispielhafte Justierregel zwar die Konjugierter-Gradient-Methodologie verwendet, dass aber auch andere Justiertechniken verwendet werden können, mit denen der Fehler E verringert oder minimiert werden kann, wobei diese Techniken als im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung liegend angesehen werden.
Wenden wir uns nun 14 zu, wo ein Teil einer weiteren beispielhaften Spritzgießmaschine 502 veranschaulicht ist, in dem verschiedene Aspekte der Erfindung ausgeführt werden können. Im Gegensatz zu der hydraulischen Maschine 102, die oben veranschaulicht und beschrieben wurde, umfasst die Maschine 502 eine elektromotorische Betätigung für die Translation und Rotation eines Einspritzstempels 514. Genauer gesagt, wird ein rotierender Elektromotor 510 durch eine erste Motoran steuerung 512 angesteuert, um den Stempel 514 zu drehen, und ein Linearmotor 520, der durch eine zweite Ansteuerung 522 angesteuert wird, bewirkt eine Translation des Stempels 514 in einer Längsrichtung während eines Einspritztakts. Ein Steuerungssystem 530 ist gemäß der Erfindung vorhanden, das Folgendes umfasst: eine Benutzerschnittstelle 532 zum Empfangen eines Stempelgeschwindigkeitsprofils 570, ein Modell 580, das Gleichungen umfasst, die das Verhalten der Maschine 502 darstellen, einen Beobachter 590, der einen momentanen Maschinenzustand 550 entsprechend dem Modell 580 und Eingaben von den Ansteuerungen 512 und/oder 522 bereitstellt, und ein Kontrollgesetz 560. Die Komponenten 532, 550, 560, 570, 580 und 590 des Steuerungssystems 530 arbeiten in einer ähnlichen Weise wie die oben beschriebenen Komponenten 132, 150, 160, 170, 180 und 190, wodurch eine verbesserte Steuerung in einer elektrischen Formungsmaschine entsprechend den verschiedenen Aspekten der Erfindung erreicht werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt Verfahren zum Steuern der Bewegung und/oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine bereit. Ein solches Verfahren 600 ist in den 15a–15c gemäß der Erfindung veranschaulicht. Während das beispielhafte Verfahren 600 im vorliegenden Text als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben ist, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die veranschaulichte Reihenfolge solcher Handlungen oder Ereignisse eingeschränkt wird, da gemäß der Erfindung einige Handlungen in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen als denen, die im vorliegenden Text veranschaulicht und/oder beschrieben sind, stattfinden können. Außerdem müssen nicht alle veranschaulichten Schritten erforderlich sein, um eine Methodologie gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Darüber hinaus versteht es sich, dass das Verfahren 600 in Verbindung mit den Vorrichtungen und Systemen, die oben veranschaulicht und beschrieben wurden, sowie in Verbindung mit anderen, nicht veranschaulichten Systemen implementiert werden kann. Zum Beispiel kann das Verfahren 600 unter Verwendung einer oder mehrerer Software-Komponenten oder -Objekte, die auf einer PC-gestützten Hardware-Steuerungssystem-Plattform laufen, implementiert werden.
Die Methodologien gemäß der Erfindung umfassen das Erhalten eines momentanen Zustandsvektors, der Zustandswerte aufweist, die einen momentanen Zustand einer Formungsmaschine darstellen, und das Simulieren geschätzter zukünftiger Zustände der Maschine entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor mit Steuerausgangswerten, die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen, unter Verwendung des momentanen Zustands und eines Modells. Es wird dann ein Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Zuständen und zukünftigen Soll-Zuständen, wie zum Beispiel aus einem benutzerdefinierten Profil, bestimmt. Die Verfahren umfassen des Weiteren das rekursive Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors entsprechend einem Fehler zwischen geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen, das Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor, und das Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen und den zukünftigen Soll-Zuständen, bis ein Beendigungszustand eintritt. Danach wird ein Steuerausgang an die Formungsmaschine entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor ausgegeben.
Das beispielhafte Verfahren 600 der 15a–15c beginnt bei 610 für einen bestimmten Steuerzyklus, und bei 612 wird ein momentaner Zustandsvektor erhalten. Der momentane Zustandsvektor kann direkt aus Sensoreingaben von Sensoren, die der Maschine zugeordnet sind, erhalten werden, oder kann alternativ durch einen Beobachter bereitgestellt werden. Im letzteren Fall kann der momentane Zustandsvektor bei 612 erhalten werden durch: Erhalten eines oder mehrerer Sensoreingangswerte, und Schätzen des momentanen Zustands der Spritzgießmaschine unter Verwendung eines Modells und der Sensoreingangswerte durch Berechnen eines oder mehrerer Zustandswerte, die einen momentanen Zustand der Spritzgießmaschine darstellen, unter Verwendung des Modells, zum Beispiel unter Verwendung numerischer Techniken, wie zum Beispiel des Runge-Kutta-Verfahrens oder Differenzengleichungstechniken. Der momentane Zustandsvektor wird dann unter Verwendung der berechneten Zustandswerte gebildet.
Bei 614 wird ein momentaner vorgeschlagener Steuerausgangsvektor bereitgestellt, der auf einem endgültigen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor aus einem vorherigen Steuerzyklus basieren kann. Danach werden bei 616 geschätzte zukünftige Maschinenzustände entsprechend dem momentanen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor unter Verwendung des momentanen Maschinenzustandsvektors und des Modells simuliert. Das Simulieren der geschätzten zukünftigen Zustände kann das Lösen einer oder mehrerer Differenzialgleichungen aus dem Modell unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors und des momentanen Zustandsvektors, wie zum Beispiel über ein Runge-Kutta-Verfahren und/oder Differenzengleichungstechniken, beinhalten. Bei 618 wird ein Fehler zwischen den geschätzten zukünftigen Maschinenzuständen und zukünftigen Soll-Zuständen ermittelt. Bei 620 wird bestimmt, ob der Fehler unterhalb einer Schwelle liegt. Wenn nicht, schreitet das Verfahren 600 zu 622 weiter, wo bestimmt wird, ob eine maximale zuvor festgelegte Anzahl von Wiederholungen ausgeführt wurde. Wenn nicht, so wird bei 624 bestimmt, ob eine zuvor festgelegte Zeit T_MAX in dem momentanen Steuerzyklus verstrichen ist, und wenn nicht, so wird bei 626 bestimmt, ob eine Änderungsrate des Fehlers E unterhalb einer Schwelle liegt. Wenn eine der Feststellungen wahr ist (zum Beispiel JA bei 620, 622, 624, oder 626), so schreitet das Verfahren zu 640 in 15c weiter, wie unten noch weiter beschrieben wird.
Anderenfalls wird der vorgeschlagene Steuerausgangsvektor präzisiert, wie in 15b veranschaulicht. Bei 630 in 15b werden Steuerausgangsfunktionskoeffizienten φ_i aus dem momentanen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor erzeugt. Bei 632 werden partielle Differenzialgleichungen auf Fehler mit Bezug auf die Koeffizienten φ_i ausgewertet. Die Koeffizienten φ_i werden bei 634 so justiert, dass der Fehler verringert wird, und bei 636 werden die justierten Koeffizienten φ_i entsprechend einer Steuerausgangsfunktion zu dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor umgesetzt. In dieser Hinsicht kann die Justierung der Koeffizienten φ bei 634 das Justieren eines oder mehrerer Koeffizienten unter Verwendung eines Konjugierter-Gradient-Verfahrens umfassen, um den Fehler zu verringern. Der momentane vorgeschlagene Steuerausgangsvektor wird dann bei 638 auf den präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor gesetzt, woraufhin das Verfahren 600 zu 616 von 15a zurückkehrt, um einen neuen Satz von geschätzten zukünftigen Maschinenzuständen auf der Grundlage des präzisierten Steuerausgangsvektors zu simulieren, wie oben beschrieben. Das Verfahren 600 setzt sich in dieser Weise fort, bis bei 620, 622, 624 oder 626 eine der Beendigungsbedingungen erfüllt ist. An diesem Punkt schreitet das Verfahren 600 zu 640 von 15c weiter, wo ein Steuerausgang u(t₀) von dem momentanen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (zum Beispiel nach der Präzisierung) als Steuerausgangswerte an Aktuatoren in der Formungsmaschine ausgegeben wird. Danach werden bei 642 die übrigen (zum Beispiel zukünftigen) Steuerausgangswerte u(t) von dem endgültigen vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor zur Verwendung in einem anschließenden Steuerzyklus gespeichert oder abgelegt, woraufhin das Verfahren 600 für den momentanen Steuerzyklus bei 644 endet.
Die Methodologien der Erfindung können in einer Vielzahl verschiedener Formen implementiert werden, einschließlich beispielsweise in Software, die auf einem Computersystem läuft, programmierbarer Logik, Firmware, die in einem Mikroprozessor-gestützten Steuerungssystem läuft, und sonstigen Kombinationen von Hardware und/oder Software. In dieser Hinsicht zieht die vorliegende Erfindung auch computerlesbare Medien in Betracht, auf denen sich durch einen Computer ausführbare Instruktionen zum Implementieren eines oder mehrerer der Verfahren der Erfindung befinden, wie zum Beispiel des beispielhaften Verfahrens 600, das oben mit Bezug auf die 15a–15c veranschaulicht und beschrieben wurde.
Obgleich die Erfindung anhand einer oder mehrerer Implementierungen gezeigt und beschrieben wurde, fallen dem Fachmann beim Lesen und Verstehen dieser Spezifikation und der angehängten Zeichnungen äquivalente Änderungen und Modifikationen ein. Speziell im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltkreise usw.) ausgeführt werden, ist es beabsichtigt, dass die Begriffe (einschließlich der Erwähnung von "Mitteln"), die zum Beschreiben solcher Komponenten verwendet werden, sofern nichts anderes angegeben ist, jeder Komponente entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d. h. deren Funktionalität äquivalent ist), selbst wenn sie strukturell nicht der offenbarten Struktur entspricht, welche die Funktion in der im vorliegenden Text veranschaulichten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Des Weiteren kann es möglich sein, dass ein bestimmtes Merkmal der Erfindung mit Bezug auf lediglich eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, doch ein solches Merkmal kann auch – je nach Wunsch und Zweckmäßigkeit für eine gegebene oder bestimmte Anwendung – mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden. Des Weiteren ist beabsichtigt, dass, wenn die Begriffe "enthält", "aufweist", "hat", "mit" oder Varianten davon in der detaillierten Beschreibung und/oder den Ansprüchen verwendet werden, diese Begriffe in einer Weise ähnlich dem Begriff "umfassen" inklusiv sein sollen.

Claims

Verfahren zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer nicht-linearen Spritzgießmaschine (102, 502), das Folgendes umfasst: – Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) mit mehreren Steuerausgangswerten (240, 640), die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen; – Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung eines Modells (180, 580); – Bestimmen eines Fehlers zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und mehreren künftigen Soll-Zuständen; – Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem Fehler zwischen geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den mehreren künftigen Soll-Zuständen; und – Ausgeben eines Steuerausgangs an mindestens einen Aktuator (224) in der Spritzgießmaschine entsprechend einem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) das rekursive Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung eines momentanen Zustands und des Modells (180, 580) und das Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den künftigen Soll-Zuständen, umfasst bis ein Beendigungszustand eintritt.
Verfahren nach Anspruch 2, das Folgendes umfasst: – Erhalten eines momentanen Zustandsvektors mit mehreren Zustandswerten, die einen momentanen Zustand (150, 550) der Spritzgießmaschine darstellen; und wobei – das Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) das Verwenden des momentanen Zustandsvektors umfasst und das Modell (180, 580) mehrere Zustandsgleichungen (281, 282, 283) umfasst, die ein Verhalten der Spritzgießmaschine darstellen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Erhalten des momentanen Zustandsvektors Folgendes umfasst: – Erhalten mindestens eines Sensoreingangswertes von einem Sensor (222), welcher der Spritzgießmaschine zugeordnet ist; und Schätzen des momentanen Zustands (150, 550) der Spritzgießmaschine unter Verwendung des Modells (180, 580) und des mindestens einen Sensoreingangswertes.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schätzen des momentanen Zustands (150, 550) der Spritzgießma schine das Berechnen der mehreren Zustandswerte, die einen momentanen Zustand (150, 550) der Spritzgießmaschine darstellen, unter Verwendung des Modells (180, 580) und das Bilden des momentanen Zustandsvektors unter Verwendung der berechneten Zustandswerte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4: – wobei das Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) das Bereitstellen eines ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) mit mehreren Steuerausgangswerten (240, 640), die Steuerausgänge an dem momentanen Zeitpunkt darstellen, umfasst; – wobei das Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände (262) das Simulieren mehrerer erster geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells (180, 580) umfasst; – wobei das Bestimmen eines Fehlers zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und mehreren künftigen Soll-Zuständen das Bestimmen eines ersten Fehlers zwischen den mehreren ersten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und mehreren künftigen Soll-Zuständen umfasst; – wobei das rekursive Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263), das Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände (262) und das Bestimmen eines präzisierten Fehlers Folgendes umfassen: – Bereitstellen eines ersten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend dem ersten Fehler, um den ersten Fehler zu reduzieren; – Simulieren mehrerer erster präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem ersten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells (180, 580); – Bestimmen eines ersten präzisierten Fehlers zwischen den mehreren ersten präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den mehreren künftigen Soll-Zuständen; und – wobei das Ausgeben des Steuerausgangs das Ausgeben eines Steuerausgangs zu dem mindestens einen Aktuator (224) entsprechend dem ersten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, das des Weiteren Folgendes umfasst: – Bereitstellen eines zweiten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend dem ersten präzisierten Fehler, um den ersten präzisierten Fehler zu reduzieren; – Simulieren mehrerer zweiter präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem zweiten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells (180, 580); – Bestimmen eines zweiten präzisierten Fehlers zwischen den mehreren zweiten präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den mehreren künftigen Soll-Zuständen; und – Ausgeben des Steuerausgangs zu dem mindestens einen Aktuator (224) entsprechend dem zweiten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263).
Verfahren nach Anspruch 7, das des Weiteren das Speichern mindestens eines Teils des zweiten präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) umfasst, wobei das Bereitstellen eines ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) das Bereitstellen des ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem zuvor gespeicherten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) aus einem vorangegangenen Steuerzyklus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 oder 7, wobei der Beendigungszustand eines von. Folgendem umfasst: dass eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, dass eine vorgegebene Zahl von Wiederholungen erfolgt ist, dass der zuletzt präzisierte Fehler kleiner als ein Schwellenwert ist, und dass eine Änderungsrate des zuletzt präzisierten Fehlers kleiner als ein Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, wobei das Modell (180, 580) mindestens eine Differenzialgleichung umfasst und wobei das Berechnen der mehreren Zustandswerte das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung gemäß einem Runge-Kutta-Verfahren oder einer Differenzengleichungstechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 7, wobei das Modell (180, 580) mindestens eine Differenzialgleichung umfasst und wobei das Simulieren der mehreren geschätzten zukünftigen Zustände (262) das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) und des momentanen Zustandsvektors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung gemäß einem Runge-Kutta-Verfahren oder einer Differenzengleichungstechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 6, wobei das Modell (180, 580) mindestens eine Differenzialgleichung umfasst und wobei das Simulieren der mehreren geschätzten zukünftigen Zustände das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) und des momentanen Zustandsvektors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung das Lösen der mindestens einen Differenzialgleichung gemäß einem Runge-Kutta-Verfahren oder einer Differenzengleichungstechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, das des Weiteren das Speichern mindestens eines Teils des zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) umfasst, wobei das Bereitstellen eines ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) das Bereitstellen des ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem zuvor gespeicherten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) aus einem vorangegangenen Steuerzyklus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem Fehlers Folgendes umfasst: Korrelieren mehrerer Koeffizienten (210) von dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) entsprechend einer Steuerausgangsfunktion; – Beurteilen mehrerer partieller Differenzialgleichungen auf Fehler mit Bezug auf die mehreren Koeffizienten (210); – Justieren mindestens eines der mehreren Koeffizienten (210), um den Fehler zu verringern; und – Umsetzen mehrerer justierter Koeffizienten (210) entsprechend der Steuerausgangsfunktion, um den präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Justieren mindestens eines der mehreren Koeffizienten (210) zum Verringern des Fehlers das Justieren mindestens eines der mehreren Koeffizienten (210) unter Verwendung eines Konjugierter-Gradient-Verfahrens zum Verringern des Fehlers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren das Speichern mindestens eines Teils der justierten mehreren Koeffizienten (210) umfasst, wobei das Bereitstellen eines ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) das Bereitstellen des ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem zuvor gespeicherten Teil der justierten mehreren Koeffizienten (210) aus einem vorangegangenen Steuerzyklus umfasst.
System zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer nicht-linearen Spritzgießmaschine, das Folgendes umfasst: – ein Modell (180, 580), das mehrere Zustandsgleichungen umfasst, die ein Verhalten der Spritzgießmaschine darstellen; – einen momentanen Zustandvektor, der mehrere Zustandswerte umfasst, die einen momentanen Zustand (150, 550) der Spritzgießmaschine darstellen; und – ein Kontrollgesetz (160, 560), das Folgendes umfasst: – eine Simulatorkomponente (261), die in der Lage ist, mehrere geschätzte zukünftige Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend einem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) mit mehreren Steuerausgangswerten (240, 640), die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen, unter Verwendung des momentanen Zustandsvektors und des Modells (180, 580) zu simulieren; – eine Fehlerfunktionsbeurteilungsvorrichtung (266), die in der Lage ist, einen Fehler zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und mehreren künftigen Soll-Zuständen zu bestimmen; und – eine Justierregel (268), die in der Lage ist, den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) entsprechend dem Fehler zu justieren, um einen präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) bereitzustellen; – wobei das Kontrollgesetz (160, 560) in der Lage ist, den vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung der Justierregel (268) rekursiv zu präzisieren, präzisierte geschätzte zukünftige Zustände (262) unter Verwendung des Simulators (261) zu simulieren und einen präzisierten Fehler zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den künftigen Soll-Zuständen zu bestimmen, bis ein Beendigungszustand eintritt, und wobei das Kontrollgesetz (160, 560) in der Lage ist, einen Steuerausgang an mindestens einen Aktuator (224) in der Spritzgießmaschine entsprechend einem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) auszugeben.
System nach Anspruch 19, das des Weiteren eine Beobachtungsvorrichtung (190, 590) umfasst, die mindestens einen Sensoreingangswert von einem Sensor (222), welcher der Spritzgießmaschine zugeordnet ist, empfängt, wobei die Beobachtungsvorrichtung (190, 590) in der Lage ist, den momentanen Zustand (150, 550) der Spritzgießmaschine unter Verwendung des Modells (180, 580) und des mindestens einen Sensoreingangswerts zu schätzen.
System nach Anspruch 20, wobei das Modell (180, 580) mindestens eine Differenzialgleichung umfasst und wobei die Beobachtungsvorrichtung (190, 590) in der Lage ist, die mindestens eine Differenzialgleichung unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) und des momentanen Zustandsvektors zu lösen.
System nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Modell (180, 580) mindestens eine Differenzialgleichung umfasst und wobei der Simulator (261) in der Lage ist, die mindestens eine Differenzialgleichung unter Verwendung des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) und des momentanen Zustandsvektors zu lösen.
System nach Anspruch 22, wobei der Simulator (261) in der Lage ist, die mindestens eine Differenzialgleichung gemäß einem Runge-Kutta-Verfahren oder einer Differenzengleichungstechnik zu lösen.
System nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Kontrollgesetz (160, 560) in der Lage ist, mindestens einen Teil des zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) zu speichern, und wobei das Kontrollgesetz (160, 560) in der Lage ist, einen ersten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) entsprechend einem zuvor gespeicherten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) aus einem vorangegangenen Steuerzyklus bereitzustellen.
System nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Beendigungszustand eines von Folgendem umfasst: dass eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, dass eine vorgegebene Zahl von Wiederholungen erfolgt ist, dass der zuletzt präzisierte Fehler kleiner als ein Schwellenwert ist, und dass eine Änderungsrate des zuletzt präzisierten Fehlers kleiner als ein Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Kontrollgesetz (160, 560) des Weiteren eine Steuerausgangsfunktion und einen Steuerausgangsparameterumsetzer umfasst, wobei die Justierregel (268) in der Lage ist, mehrere Koeffizienten (210) von dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) entsprechend der Steuerausgangsfunktion zu korrelieren, mehrere partielle Differenzialgleichungen auf Fehler mit Bezug auf die mehreren Koeffizienten (210) zu beurteilen und mindestens einen der mehreren Koeffizienten (210) zu justieren, um den Fehler zu verringern, und wobei der Steuerausgangsparameterumsetzer in der Lage ist, mehrere justierte Koeffizienten (210), entsprechend der Steuerausgangsfunktion umzusetzen, um den präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) bereitzustellen.
System nach Anspruch 26, wobei die Justierregel (268) in der Lage ist, mindestens einen der mehreren Koeffizienten (210) unter Verwendung eines Konjugierter-Gradient-Verfahrens zu justieren.
System nach Anspruch 19 oder. 20, wobei das Kontrollgesetz (160, 560) den Steuerausgang an min destens einen Elektromotor ausgibt, um eine Bewegung oder einen Druck in der Spritzgießmaschine entsprechend dem zuletzt präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) zu steuern.
Computerlesbares Medium mit durch einen Computer ausführbaren Instruktionen zum Steuern der Bewegung oder des Drucks in einer Spritzgießmaschine (102, 502), die durch einen Computer ausführbare Instruktionen umfassen für: – ein Bereitstellen eines vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) mit mehreren Steuerausgangswerten (240, 640), die Steuerausgänge an einem momentanen Zeitpunkt und an zukünftigen Zeitpunkten darstellen; – ein Simulieren mehrerer geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung eines Modells (180, 580); – Bestimmen eines Fehlers zwischen den mehreren geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und mehreren künftigen Soll-Zuständen; – ein Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) entsprechend einem Fehler zwischen geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und den mehreren künftigen Soll-Zuständen; und – ein Ausgeben eines Steuerausgangs an mindestens einen Aktuator (224) in der Spritzgießmaschine entsprechend einem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263).
Computerlesbares Medium nach Anspruch 29, wobei die durch einen Computer ausführbaren Instruktionen zum Präzisieren des vorgeschlagenen Steuerausgangsvektors (263) durch einen Computer ausführbare Instruktionen für ein rekursives Simulieren präzisierter geschätzter zukünftiger Zustände (262) der Spritzgießmaschine entsprechend dem präzisierten vorgeschlagenen Steuerausgangsvektor (263) unter Verwendung eines momentanen Zustands (150, 550) und des Modells (180, 580) und durch einen Computer ausführbare Instruktionen zum Bestimmen eines präzisierten Fehlers zwischen den präzisierten geschätzten zukünftigen Zuständen (262) und die künftigen Soll-Zuständen, bis ein Beendigungszustand eintritt, umfassen.