DE69105555T2

DE69105555T2 - Verfahren und Vorrichtung zur modellunterstützten Regelung.

Info

Publication number: DE69105555T2
Application number: DE1991605555
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Doyama; Koji Ebisu; Keizo Matsui; Masataka Ozeki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1991-03-05
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2011-03-06
Also published as: JPH04211803A; EP0445729B1; EP0445729A1; DE69105555D1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine sogenannte robuste Steuer- oder Regeleinrichtung, die eine Steuerung oder Regelung auch dann erlaubt, wenn die Kenngrößen des zu steuernden Objekts (der zu steuernden Anlage) sich ändern, und insbesondere eine modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung und ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Objekts nach einem Referenzmodell. Das Steuer- oder Regel verfahren ist insbesondere geeignet für die Regelung von Zielwerten, die sich in ihrer Dimension, nicht jedoch zahlenmäßig ändern. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Kombination komplexer Steuer- oder Regeleinrichtungen dar, bei spiel sweise der Positions- und der Arbeitskraftsteuerung von Robotern, der Raumtemperaturregelung und der Feuchtigkeitsregelung von Klimaanlagen und der Regelung von Kühlkreisläufen.
Die modellbasierte adaptive Steuerung oder Regelung ist eines der herkömmlichen Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Objekts, das unbekannte Parameter aufweist. Für die Durchführung dieses Steuer- oder Regelverfahrens gibt es zwei Wege: einmal Verwendung einer Funktion, die Parameter ändert, als Adaptionsmechanismus, zum anderen höhere Robustheit zur Modellnachbildung ohne Parameteränderung, wenn die Parameter nicht deutlich unterschiedlich sind.
Das adaptive Steuer- oder Regel verfahren mit Parameteränderung ist ausführlich in der Literatur beschrieben worden, u.a. in "Adaptive Control" (Shokodo, 1984) von Ichikawa Kunihiko; dieses Verfahren setzt jedoch voraus, daß der Aufbau der Betriebseinrichtung bzw. Anlage bekannt ist und daß die Änderung der Anlagenparameter relativ langsam erfolgt. Das robuste Steuer- oder Regelungsverfahren hingegen setzt nicht voraus, daß der Aufbau der gesamten Anlage bekannt ist, und ist auch für die Steuerung oder Regelung von Anlagen geeignet, bei denen sich die Anlagenparameter relativ rasch ändern.
Wie aus der EP-A 0 159 103 bekannt ist, zeigen die Fig. 11(a) und 11(b) das Konfigurationsprinzip einer adaptiven Steuer- oder Regeleinrichtung, bei der ein Verfahren mit erhöhter Robustheit angewendet wird. Die Übertragungsfunktionen P(s), Pm(s) und H(s) für jeweils die Anlage 11, das Modell 14 und das Kompensationselement 13 sind, wie in Fig. 11(a) dargestellt, miteinander gekoppelt. Wie aus der Figur ersichtlich, wird der Zielwert R in das Modell 14 und in den Komparator 15 eingespeist. Die Antwort der Modellanlage 14 wird ebenfalls in einen Komparator 16 eingespeist. Der erste Komparator 15 vergleicht den Zielwert R mit dem Ausgang des Kompensationselements 13 und speist das Ergebnis in die Anlage 11 ein. Der Ausgang Y der Anlage 11 wird vom anderen Komparator 16 mit dem Ausgang Ym der Modellanlage verglichen, und das Ergebnis wird in das Kompensationselement 13 eingespeist. Fig. 11(b) ist eine vereinfachte Darstellung des Blockdiagramms von Fig. 11(a) in einem Element.
Als nächstes wird der Aufbau des Kompensationselements 13 beschrieben. Das Kompensationselement 13 wird angenommen als die Umkehrung der Übertragungscharakteristik Pm(s) der Modellanlage 14, multipliziert mit einer Verstärkungskonstante K, und wird entsprechend Gleichung 1 ausgedrückt:
H(s) = K/Pm(s) 1.
Dann ist die Übertragungscharakteristik von Fig. 11(b):
Y/R = (1+K) * P(s) / (1+K * P(s)/Pm(s)) 2.
Wenn also K -> ∞, hat Y/R den Wert Pm(s). Mit anderen Worten: Wenn der Wert K groß ist, nähern sich die Kenngrößen der Anlage den Kenngrößen Pm(s) des Modells an. Man erhält speziell eine Eingang/Ausgang-Beziehung, die in keiner Beziehung zur Kenngröße P(s) der Anlage steht.
Weil nur ein Referenzmodell definiert ist, kann das vorstehend beschriebene herkömmliche Steuer- oder Regelverfahren nicht für Anwendungsfälle verwendet werden, bei denen die Sollantwort je nach der Steuerungsaufgabe unterschiedlich ist. Ein Roboter hat jedoch mehrere Steuermodi, einschließlich eines Positionssteuermodus und eines Kraftsteuermodus, und die Sollantwort der Steuerung/Regelung ändert sich offensichtlich in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung. Außerdem ist es auch bei Vorliegen nur eines einzigen Zielwertes wünschenswert, eine Antwortcharakteristik zu haben, die es erlaubt, den Zielwert schnell zu erreichen, auch wenn das Referenzmodell zu einer unstabil en Antwort führt, und die bei Annäherung an den Zielwert einem stabilen Referenzmodell folgt.
In einigen Fällen ist es außerdem schwierig, die Sollantwort in einer Formel auszudrücken, und es gibt Fälle, in denen die Sollantwort nur in Form einer Eingang/Ausgang-Beziehung dargestellt werden kann. Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren lassen sich nur schwer auf diese Fälle anwenden.
Während die "Fuzzy-Steuerung" als ein Verfahren, das eine solche Steuerung umfaßt, in den letzten Jahren viel Beachtung gefunden hat, definieren die derzeit vorgeschlagenen Fuzzylogiksteuerungsverfahren Vorgehensweisen zur Handhabung von Bedingungen, bei denen eine gewisse Abweichung von einem Zielwert gegeben ist, sie lassen sich jedoch nicht leicht dazu verwenden zu definieren, wie die sich ergebende Antwort aussehen sollte. Es war daher erforderlich, die Zugehörigkeitskonstante der Fuzzysteuerung nach der Methode von Versuch und Irrtum zu justieren, um eine Sollantwort zu erreichen. Auch nach Justierung der Zugehörigkeitskonstante wird jedoch nicht unbedingt dieselbe oder eine ähnliche Reaktion erzielt, wenn sich die Kenndaten der Anlage ändern.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung zur Verfügung zu stellen, die durch höhere Robustheit die Wirkungen einer Parameteränderung unterdrückt und gekennzeichnet ist durch Bereitstellung eines Fuzzyreferenzmodells zum Erhalt einer Sollantwort auf jeden gegebenen Eingangswert, Vergleichen der Ausgangswerte der Anlage mit den Ausgangswerten des Fuzzymodells, Einspeisung des Vergleichsergebnisses in ein erstes Hochverstärkungselement, Einspeisung der Ausgangswerte des ersten Hochverstärkungselements in das Fuzzyreferenzmodell und Vergleichen der Ausgangswerte des ersten Hochverstärkungselements mit dem Zielwert, Einspeisung des Ergebnisses dieses zweiten Vergleichs in ein zweites Hochverstärkungselement und Verwendung der Ausgangswerte des zweiten Hochverstärkungselements zur Steuerung der Anlage.
Dieses Verfahren wird verwirklicht in einer Robotersteuerungseinrichtung, für die die Sollantwortkennwerte für die Position und die Kraft, die auf Bearbeitungselemente einwirkt, unter Verwendung der Fuzzylogik ausgehend von den Positionsdaten der Bearbeitungselemente in einem Referenzmodell festgelegt sind, und ist gekennzeichnet durch: eine Einrichtung zur Erfassung der tatsächlichen Werte von Kraft und Position bezogen auf einen Zielwert der Kraft und einen Zielwert der Position gemäß spezifischer Zielbedingungen; ein erstes und ein zweites Hochverstärkungselement; eine Einrichtung zum Vergleichen der erfaßten Werte von Kraft und Position mit dem Antwortausgang des des Referenzmodells am ersten Hochverstärkungselement; ein erstes Hochverstärkungselement, welches das Vergleichsergebnis verstärkt; eine Zielwertvergleichseinrichtung, die den Ausgang des ersten Hochverstärkungselements, den Kraft-Zielwert und den Positions-Zielwert miteinander vergleicht; ein zweites Hochverstärkungselement, welches das Vergleichsergebnis von der Zielwertvergleichseinrichtung empfängt; und eine Einrichtung zum Addieren von zwei Ausgangsergebnissen des zweiten Hochverstärkungselements, so daß die Roboter-Kraft/Positions-Steuereinrichtung das Additionsergebnis als Steuerbefehl für den Stellantrieb verwendet.
Bei Verwendung eines Hochverstärkungselements in einem Vorwärtsbewegungselement in einem System, welches Referenzmodellcharakteristiken in der Rückkopplungsschleife einer kleinen Schleife aufweist, entsprechen die Charakteristiken der Schleife in etwa der Umkehrung der Charakteristiken des Referenzmodells. Eine Steuerung, die zur Eingabe dem Referenzmodell folgt, kann als Ganzes gesehen geschaffen werden.
Bei einer Robotersteuerung wird zur Positionssteuerung ein Referenzmodell gewählt, wenn der Abstand zum Zwangspunkt wegen des Zielgegenstands groß ist, und bei Annäherung an den Greifpunkt wählt die Fuzzy-Logik das Referenzmodell zur Steuerung der Kraft; eine stabile Steuerung von Position und Kraft kann nach Sollsteuerkenngrößen erfolgen, auch wenn die Position des Greifpunkts innerhalb des Arbeitsbereichs etwas variiert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus nachfolgender Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung ersichtlich. In allen Zeichnungen sind gleiche Teile jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1: ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungs- oder Regelverfahrens,
Fig. 2(a): ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungs- oder Regelverfahrens,
Fig. 2(b): ein ähnliches Blockdiagramm wie Fig. 2(a), jedoch mit einer Modifikation,
Fig. 3: ein Blockdiagramm wesentlicher Komponenten bei Verwendung mehrerer Referenzmodelle,
Fig. 4: ein Blockdiagramm eines Verfahrens, bei dem mehrere Hochverstärkungselemente verwendet werden,
Fig. 5(a) und 5(b): Blockdiagramme des Prinzips der kleinen Schleife von Fig. 1,
Fig. 6(a): ein Blockdiagramm des Aufbaus einer Integrationseinrichtung,
Fig. 6(b): ein ähnliches Blockdiagramm wie Fig. 6(a), jedoch mit einer Modifikation,
Fig. 7: ein Blockdiagramm eines Steuerungsverfahrens, bei dem ein neuronales Netz verwendet wird,
Fig. 8(a): ein Blockdiagramm wesentlicher Komponenten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein neuronales Netz verwendet wird,
Fig. 8(b): ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein neuronales Netz,
Fig. 9: ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Steuerungs- oder Regelverfahrens angewandt auf die Steuerung von Kraft/Position bei einem Roboter,
Fig. 10(a): Aussagen eines Fuzzy-Referenzmodells,
Fig. 10(b): das Prinzip der Fuzzy-Steuerung des Einsatzes des Referenzmodells nach Fig. 10 und
Fig. 11(a) und 11(b): Blockdiagramme eines herkömmlichen Steuerungsverfahrens.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt die Erfindung als Ganzes in einem Blockdiagramm. Bei Fig. 1 wird ein Zielwert R in einen Komparator 4 eingespeist, wo er mit dem Ausgang eines ersten Hochverstärkungselements 1 verglichen wird. Das Ergebnis des Vergleichs wird durch ein zweites Hochverstärkungselement 5 hindurchgeleitet und wird zur Betriebsgröße der Anlage bzw. Betriebseinrichtung 6. Die Steuer- oder Regelgröße Y der Betriebseinrichtung 6 wird in einen weiteren Komparator 3 eingespeist, wo sie mit dem Ausgang des Referenzmodells 2 verglichen wird. Das Vergleichsergebnis wird in das erste Hochverstärkungselement 1 eingespeist. Das Ausgangssignal des ersten Hochverstärkungselements 1 wird in den ersten Komparator 4 eingespeist, wo es mit dem Zielwert R verglichen wird, und es wird auch in das Referenzmodell 2 eingespeist.
Fig. 5(a) zeigt den Aufbau einer kleinen Schleife mit dem ersten Hochverstärkungselement 1, einem Referenzmodell 2 und einem Komparator 3. Bei dieser kleinen Schleife wird die Übertragungscharakteristik des Hochverstärkungselements 1 mit K bezeichnet und die Übertragungscharakteristik des Referenzmodells 2 mit Pm(s). Fig. 5(b) ist eine vereinfachte Darstellung der Schleife von Fig. 5(a) als einfache Eingang/Ausgang-Einrichtung. Die Eingang/Ausgang- Charakteristik kann ausgedrückt werden als Teil von 1/{(1/K) + Pm(s)}. Wenn der Wert K ausreichend groß ist, ist somit die Eingang/Ausgang-Charakteristik die Umkehrung des Referenzmodells. Das bedeutet, daß die Umkehrcharakteristiken des Referenzmodells Pm in der Rückkopplungsschleife von Fig. 1 vorhanden sind, so daß es folglich möglich ist, ein modellbasiertes Steuerungs- oder Regelverfahren zu realisieren.
Fig. 2(a) zeigt ein Gesamt-Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die mehrere Referenzmodelle umfaßt. Anders als bei der Ausführungsform von Fig. 1 unterscheiden sich bei dieser Ausführungsform das Referenzmodell 2' und das erste Hochverstärkungselement 1' im Zielwert R. Die Anordnungen des Referenzmodells 2' und des ersten Hochverstärkungselements 1' sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt, wobei Fig. 3 eine Anordnung mit mehreren Referenzmodellen und Fig. 4 eine Anordnung mit mehreren Hochverstärkungselementen zeigt.
Bei der Ausführungsform mit mehreren Referenzmodellen werden für bestimmte Zielwerte Sollantworten vorgegeben. Bei Fig. 3 wird das Signal des Referenzmodells in die mehreren Referenzmodelle 21, 22 und 23 eingegeben. Der Ausgang eines jeden Referenzmodells wird in eine Einrichtung 25 zur Gewichtung/Addition/Mittelwertbildung eingespeist. Die Einrichtung 25 zur Gewichtung/Addition/Mittelwertbildung gewichtet und addiert den Ausgang eines jeden Referenzmodell s und bildet daraus einen Mittelwert und gibt das Ergebnis als Referenzmodellausgang Xm aus. Das von der Einrichtung 25 zur Gewichtung/Addition/Mittelwertbildung verwendete Gewicht wird auf der Grundlage des Zielwerts R vom Gewichtsrechner 24 ermittelt.
Der Einsatz des Gewichtsrechner 24 ermöglicht die Berechnung des Gewichts als den für das jeweilige Referenzmodell zweckmäßigen Wert auf der Grundlage des jeweiligen Zielwerts R, d.h., es wird berechnet, wie passend der Zielwert R gegenüber dem beim jeweiligen Referenzmodell vorgegebenen Zielwert ist. Diese Verfahrensweise entspricht der Vorstufenberechnung einer Fuzzysteuerung. Beispielsweise kann die Eignung eines jeden Referenzmodells als geeignete Zugehörigkeitsfunktion für eine Zielwertfunktion oder als Abstand zu einem mit Referenzmodellen bereitgestellten Zielwert festgelegt werden.
Derselbe Vorgang ist in Fig. 4 dargestellt, wo mehrere Hochverstärkungselemente verwendet sind. Das Verfahren zur Berechnung des Gewichts bei dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren verwendet nicht unbedingt dieselben Ergebnisse, wie sie für das Verfahren nach Fig. 3 verwendet werden. Es können beispielsweise unterschiedliche Zugehörigkeitsfunktionen verwendet werden. Eine Steuerung für komplexere Zielwerte kann somit durch Änderung des Referenzmodells in Abhängigkeit vom Zielwert erreicht werden.
Fig. 6(a) zeigt ein Blockdiagramm des ersten oder zweiten Hochverstärkungselements nach Fig. 1, 2(a) und 2(b). Die vorliegende Beschreibung verwendet die für Rechnersteuerungen üblichen Begriffe. Der Eingang wird auf die Additionsschaltung 51 gegeben, wo er zum zuvor eingegebenen Wert addiert wird. Das Ergebnis wird dann zur Verzögerungsschaltung 52 und zum Verstärkerregler 53 weitergeleitet, wo eine geeignete Verstärkung Kc des Signals erfolgt, das dann am Ausgang ansteht. Die Verstärkung Kc kann je nach Element unterschiedlich sein. Weil diese Elemente Summenwerte verarbeiten, wird eine Integration durchgeführt. Bei dem in Fig. 6(a) dargestellten System kann eine Integration, d.h. eine große Verstärkung in einem niedrigen Frequenzband, erreicht werden. Zu beachten ist, daß die Hochverstärkungseinrichtung bei der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Integrationseinrichtung beschränkt ist. Beispielsweise kann parallel zur Integrationseinheit eine Proportionaleinheit 54 vorgesehen sein, wie in Fig. 6(b) dargestellt.
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform, die in den Fällen anwendbar ist, in denen nur schwer ein numerisches Modell aufgestellt werden kann und das Referenzmodell daher nur auf der Grundlage von Ein-Ausgabe-Charakteristiken gebildet wird. In diesem Fall wird der Zielwert R in einen Komparator 4 eingespeist, wo er mit dem Ausgang eines neuronalen Netzes 9 verglichen wird. Das Vergleichsergebnis wird durch das zweite Hochverstärkungselement 5 zur Betriebseinrichtung 6 geleitet. Der Ausgang Y der Betriebseinrichtung 6 wird in das neuronale Netz 9 eingespeist, womit eine Rückkopplungsschleife gebildet wird.
Fig. 8(a) zeigt das Verfahren zur Festlegung des Eingangs und des Ausgangs des neuronalen Netzes 9. Insbesondere wird die Eingang/Ausgang-Beziehung des neuronalen Netzes umgekehrt, um eine Lernfunktion zu bilden. Es wird mit anderen Worten der Referenzmodellwert, der von der Betriebseinrichtung erwartet wird, als Eingang verwendet und ein Zielwert als Ausgang verwendet. Der Aufbau und die Lernfunktionen, einschließlich der sogenannten "Back Propagation", derartiger neuronaler Netze sind in dem Bericht "Parallel Distributed Processing" von D.E. Rumelhart, J.L. McClelland, and the PDP Research Group, in MIT Press 1986 offenbart. Ein Beispiel für ein neuronales Netz ist in Fig. 8(b) dargestellt, bei dem eine Soll-Steuer- oder Regelgröße Y und deren Differenzwert sowie Differenzwerte zweiter Ordnung als Eingänge für das trainierte neuronale Netz verwendet werden.
Zu beachten ist, daß ein System, wie es in Fig. 2(b) dargestellt ist, das zwischen mehreren Referenzmodellen auf der Grundlage des Unterschieds zwischen einem Zielwert R und einer Ausgangssteuer- oder -regelgröße Y hin- und herschaltet, auf einfache Weise durch Anwendung der Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung gebildet werden kann. Das in Fig. 2(b) dargestellte System weist ferner einen Komparator 7 zum Vergleichen des Zielwertes R mit der Ausgangssteuer- oder -regelgröße Y auf. Das Vergleichsergebnis wird in das Referenzmodell 2 und in das erste Hochverstärkungselement 1 eingegeben.
Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerung für Kraft und Position eines Roboterarms, bei der die erfindungsgemäße modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung zum Einsatz kommt. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der Roboterarm ein Objekt, das leicht beschädigt werden kann, wenn es mit zu hohem Krafteinsatz ergriffen wird, schnell ergreifen und bewegen muß. Zusätzlich wird die Kraft, mit der der Roboter das Objekt berühren und ergreifen muß, im voraus unter Berücksichtigung der Weichheit des Objekts eingestellt. Außerdem werden die Positionswerte des Objektes unter Verwendung einer Karte 67 von einem optischen System (nicht abgebildet), das die Lage des Arbeitsbereichs erkennen kann, erfaßt. Ferner werden zur Steuerung eines Manipulators das Koordinatensystem für den Stellantrieb und das Koordinatensystem für den Effektor allgemein durch die Kombination eines Drehkoordinatensystems mit einem kartesischen Koordinatensystem ausgedrückt, jedoch werden bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform um der Kürze willen das Koordinatensystem für den Stellantrieb und das Koordinatensystem für den Effektor ausgedrückt durch ein System mit einem Freiheitsgrad mit einer Entsprechung von 1:1 zwischen den beiden Koordinatensystemen, eines für den Stell antrieb, das andere für den Effektor.
Die Ausgangswerte des Hochverstärkungselements 61 werden von den Komparatoren 64 bzw. 74 mit einem Kraft-Zielwert Fr bzw. einem Positions-Zielwert Xr verglichen. Die Vergleichsergebnisse der Komparatoren 64 und 74 werden in ein zweites Hochverstärkungselement 65 eingespeist. Die Ausgangswerte des zweiten Hochverstärkungselements 65 für die einzelnen Eingänge werden in die Additionsschaltung 68 eingegeben, wo die beiden Werte miteinander addiert werden. Die Summe wird von der Additionsschaltung 68 ausgegeben als Steuerbefehl für den Stellantrieb und wird an den Roboterarm 66 gegeben, um die mechanischen Parameter (Position und Kraft) des Roboters 66 zu ändern.
Die geänderten Werte von Kraft und Position werden vom Kraftdetektor 71 bzw. vom Positionsdetektor 72 erfaßt. Der erfaßte Kraft-Wert wird in den Komparator 63 und die Arbeitsbereichskarte 67 eingespeist, und der Positions-Wert wird über den Komparator 73 und den Fehlermischer 69 in die Arbeitsbereichskarte 67 eingespeist. Der Fehlermischer 69 soll eine Übereinstimmung zwischen dem erfaßten Positionswert und den Koordinaten der Arbeitsbereichskarte 67 herstellen.
Der erfaßte Kraft-Wert wird mit dem vom Komparator 63 ausgegebenen Referenzmodell-Kraft-Wert verglichen, und der erfaßte Positions-Wert wird mit dem vom Komparator 73 ausgegebenen Referenzmodell-Positions-Wert verglichen. Die Ergebnisse der Vergleiche der Komparatoren 63 und 73 werden in das Hochverstärkungselement 61 eingespeist und verstärkt. Das Ausgangssignal des Hochverstärkungselements 61 wird in das Referenzmodell 62 eingegeben, so daß eine kleine Schleife bestehend aus dem Hochverstärkungselement 61, dem Referenzmodell 62 und den Komparatoren 63 und 73 entsteht.
Wie bereits beschrieben, bildet diese kleine Schleife eine Umkehrcharakteristik zum Referenzmodell. Eine Regelschleife für Kraft und Position wird durch Eingabe des Ausgangs des Hochverstärkungselements 61 in einen Kraft- Zielwert-Komparator 64 und einen Positions-Zielwert-Komparator 74 gebildet. Der in die Arbeitsbereichskarte 67 eingegebene Positions-Wert wird mit dem Karteninhalt und dem jeweiligen Positions-Wert verglichen, um den Abstand zum Greifpunkt zu errechnen. Der errechnete Abstandswert wird sodann in das Referenzmodell 62 in der Regelschleife eingegeben.
Das Referenzmodell 62 ist eine Einrichtung zur Fuzzy-Selektion des Kraft- Steuermodus und des Positions-Steuermodus auf der Grundlage des errechneten Abstands zum Greifpunkt. Der Aufbau des Referenzmodell s 62 ist in Fig. 10(a) dargestellt. Das Referenzmodell umfaßt mehrere logische Ausdrücke, einschließlich zweier Anweisungen. Die erste Anweisung besagt, daß beim Status "Greifkraftsteuerung" die Kraftsteuerung durchzuführen ist, für die die Soll- Antwortcharakteristik Gfm(s) lautet; die zweite Anweisung besagt, daß beim Status "frei" die Positionssteuerung durchzuführen ist, für die die Soll- Antwortcharakteristik Gpm(s) lautet. Diese beiden Anweisungen kommen den Regeln der Handlungsabfolge eines Menschen beim Ergreifen eines Gegenstands sehr nahe.
Fig. 10(b) zeigt die Wertigkeit der beiden Anweisungen ausgehend vom Abstand zum Greifpunkt. Genauer gesagt, erfolgt die Kraftsteuerung zu 100 %, wenn die jeweilige Position mit dem Greifpunkt zusammenfällt, und die Positionssteuerung zu 100 %, wenn der Abstand zum Greifpunkt ausreichend groß ist; an allen Punkten dazwischen erfolgt eine Fuzzy-Selektion zwischen Kraft- und Positionssteuerung. In diesem Bereich erfolgt sowohl eine Kraft- als auch eine Positionssteuerung, d.h. eine Übereinstimmungsprüfung. Bei der beschriebenen Steuer- oder Regeleinrichtung erfolgt eine Positionssteuerung, wenn der Effektor ausreichend weit vom Greifpunkt entfernt ist, so daß eine Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt wird, bei der die Zielposition schnellstmöglich erreicht wird, und wenn der Effektor am Greifpunkt steht, erfolgt die Kraftsteuerung bzw. -regelung, damit empfindliche Gegenstände sanft ergriffen werden können. Ferner erfolgt eine Übereinstimmungsprüfung in der Nähe des Greifpunkts, womit ein flexibler Positionssteuermodus zur Verfügung gestellt wird. Somit ist es möglich, den Krafteinsatz so zu steuern, daß das Greifobjekt nicht beschädigt wird, wenn bei Berührung des Greifobjekts eine gewisse Abweichung von den Greifpunktkoordinaten gegeben ist. Der Kontakt kann vom Kraftdetektor 71 erfaßt werden, dessen Ausgangswert zur Korrektur der Arbeitsbereichkarte 67 verwendet wird, so daß ein rasches Umschalten auf Kraftsteuerung ermöglicht wird, auch wenn ein Fehler in der Position des Greifobjekts vorliegt.
Wie vorstehend beschrieben, kann eine für komplexe Zielbedingungen und mehrere Aufgabenstellungen vorgesehene Steuerungs oder Regeleinrichtung mittels der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Ferner kann eine Steuerungs- oder Regeleinrichtung, die schneller auf eine Zielbedingung anspricht, erzielt werden, indem entsprechend der Abweichung vom Zielwert Referenzmodelle festgelegt werden. Durch Festlegung einer Sollantwort ist es außerdem nicht erforderlich, den jeweiligen Antwortstatus der Steuerung zu berücksichtigen, so daß eine leichter zu handhabende Steuerung erzielt wird. Ferner kann eine Steuerung, die ein Referenzmodell verwendet, sogar für die Fälle erreicht werden, in denen das Referenzmodell nicht eindeutig in einer numerischen Gleichung ausgedrückt werden kann, indem als Referenzmodell ein neuronales Netz verwendet wird, das aus der Beziehung seiner Eingangs- und Ausgangswerte lernt.
Außerdem kann eine gute Steuerung von Kraft und Position auch dann erreicht werden, wenn die Position des Greifobjekts innerhalb des Arbeitsbereichs Abweichungen aufweist, und durch Anwendung dieses Verfahrens zur Steuerung/Regelung von Kraft und Position in einer Robotersteuerung kann eine schnelle und zuverlässige Betriebsweise erzielt werden.

Claims

1. Modellbasierte Steuer- oder Regelungseinrichtung, umfassend:

eine erste Komparatoreinrichtung (4), die einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweist und zur Erzeugung der Differenz von je zwei Eingangssignal en vorgesehen ist, wobei der erste Eingang zum Empfang eines Zielwertes (R) vorgesehen ist;

eine Betriebseinrichtung (6), die ein Ausgangssignal der ersten Komparatoreinrichtung (4) mit einer vorbestimmten ersten Übertragungsfunktion (P(s)) verarbeitet, um eine Regel- oder Steuergröße (Y) zu erzeugen;

eine zweite Komparatoreinrichtung (3), die einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweist und zur Erzeugung der Differenz von je zwei Eingangssignalen vorgesehen ist, wobei der erste Eingang zum Empfang der Regel- oder Steuergröße (Y) vorgesehen ist;

eine Referenzmodell-Einrichtung (2);

dadurch gekennzeichnet, daß

ein erstes Hochverstärkungselement (1) zum Empfang eines Ausgangssignals des zweiten Komparators (3) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals am zweiten Eingang der ersten Komparatoreinrichtung (4) vorgesehen ist, und daß die Referenzmodell-Einrichtung (2) das Ausgangssignal des ersten Hochverstärkungselements (1) empfängt und ein Ausgangssignal am zweiten Eingang der zweiten Komparatoreinrichtung (3) erzeugt.

2. Modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend ein zweites Hochverstärkungselement (2), welches zwischen den Ausgang des ersten Komparators (4) und die Betriebseinrichtung (6) geschaltet ist.

3. Modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Hochverstärkungselement (1) eine Integrationseinrichtung umfaßt.

4. Modell basierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hochverstärkungselement (2) eine Integrationseinrichtung umfaßt.

5. Modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmodell ein Fuzzy-Referenzmodell (62) zur Fuzzy-Selektion zwischen einem ersten und einem zweiten Regel- oder Steuermodus ist.

6. Modell basierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmodell ein neuronales Netz ist.

7. Modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komparatoreinrichtung (4) ein erstes und ein zweites Komparatorelement (64, 74) aufweist, von denen jedes einen ersten und einen zweiten Eingang zum Empfang eines Kraft-Zielwertes (Fr) bzw. eines Positions-Zielwertes (Xr) und einen Ausgang aufweist;

die Betriebseinrichtung (6) einen Roboterarm (66) und eine Krafterfassungseinrichtung (71) sowie eine Positionserfassungseinrichtung (72) zum Erfassen der Greifkraft bzw. der Lage des Roboterarms aufweist;

die zweite Komparatoreinrichtung (3) ein drittes und ein viertes Kornparatorelement (63, 73) aufweist, von denen jedes einen ersten und einen zweiten Eingang zum Empfang eines erfaßten Kraft-Wertes (F) bzw. eines erfaßten Positions-Wertes (X) und einen Ausgang aufweist;

das erste Hochverstärkungselement (61) einen ersten und einen zweiten Eingang zum Empfang von Ausgangssignalen des dritten und des vierten Komparatorelements (63, 73) aufweist sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang zum Erzeugen von Ausgangssignalen an dem zweiten Eingang des ersten bzw. des zweiten Komparatorelements (63, 73); und

die Referenzmodell-Einrichtung (2) ein Fuzzy-Referenzmodell (62) zum Empfang der Ausgangssignale des ersten Hochverstärkungselements (61) und zum Erzeugen von Ausgangssignalen am zweiten Eingang des dritten bzw. des vierten Komparatorelements (63, 73) umfaßt.

8. Modellbasierte Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Komponente basierend auf den Positionsdaten des Fuzzy-Referenzmodells (62) durch Verwendung der Daten der erfaßten Kraft korrigiert wird.

9. Verfahren zur modellbasierten Steuerung oder Regelung mit den Schritten: Festlegen von gewünschten Charakteristiken als Referenzmodell einer Betriebseinrichtung;

Erzeugen des Ausgangssignals des Referenzmodells für einen vorgegeben Eingabedatensatz,

Erzeugen einer Differenz zwischen den Ausgangsdaten einer Betriebseinrichtung und den Ausgangsdaten des Normal-Modells;

gekennzeichnet durch

Eingeben der Differenz in eine erste Hochverstärkungseinrichtung;

Eingeben ausgegebener Daten der Hochverstärkungseinrichtung in das Referenzmodell;

Eingeben der Differenz zwischen den Ausgangsdaten der ersten Hochverstärkungseinrichtung und einem Ziel-Befehlswert in eine zweite Hochverstärkungseinrichtung; und

Regeln oder Steuern der Betriebseinrichtung unter Verwendung der Ausgangsdaten der zweiten Hochverstärkungseinrichtung.