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WO2024240524A1 - Verfahren zum bereitstellen eines ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen zylinder einer arbeitsmaschine zugeordneten ventileinheit - Google Patents

Verfahren zum bereitstellen eines ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen zylinder einer arbeitsmaschine zugeordneten ventileinheit Download PDF

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Publication number
WO2024240524A1
WO2024240524A1 PCT/EP2024/063051 EP2024063051W WO2024240524A1 WO 2024240524 A1 WO2024240524 A1 WO 2024240524A1 EP 2024063051 W EP2024063051 W EP 2024063051W WO 2024240524 A1 WO2024240524 A1 WO 2024240524A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydraulic cylinder
parameter
unit
value
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/063051
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Neyer
Ozan DEMIR
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2024240524A1 publication Critical patent/WO2024240524A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
    • G05B13/027—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using neural networks only
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/43—Programme-control systems fluidic
    • G05B19/46—Programme-control systems fluidic hydraulic
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45012—Excavator

Definitions

  • the invention relates to a method and a computing unit for providing a valve control parameter of a valve unit assigned to a hydraulic cylinder of a work machine, in particular a mobile one.
  • the present invention also relates to a system, a work machine, a computer program and a machine-readable storage medium.
  • Modern work machines increasingly enable automated or partially automated work processes to be carried out.
  • the functionality often includes the automated following of a desired trajectory for the Tool Center Point (TCP) or, in the case of assistance functions, supporting the driver in following a desired trajectory.
  • TCP Tool Center Point
  • the present invention relates to a method for providing a valve control parameter of a valve unit assigned to a hydraulic cylinder of a work machine, in particular a mobile work machine, in particular by means of a computing unit, according to claim 1.
  • the method comprises a step of determining a target value of a valve control parameter of a valve unit assigned to the hydraulic cylinder as a function of a target value of a movement parameter of the hydraulic cylinder using an assignment rule which comprises at least two submodels designed as local linear models in order to provide the determined target value of the valve control parameter for operating the hydraulic cylinder, and in particular to operate the hydraulic cylinder based on the determined target value of the valve control parameter.
  • the method further comprises a step of reading in actual values of the movement parameter and the valve control parameter recorded when the hydraulic cylinder is operated.
  • the read-in actual values preferably comprise at least one actual value of the movement parameter and at least one corresponding actual value of the valve control parameter.
  • the actual values of the movement parameter and the valve control parameter can be recorded by means of one or more sensor units arranged on the working machine, in particular continuously, when the hydraulic cylinder is operated.
  • the actual values are preferably read in when the hydraulic cylinder or the working machine is operated.
  • the method comprises a step of adapting at least one of the submodels depending on the actual values read in.
  • one or more parameters of at least one of the submodels of the assignment rule are adapted, in particular its value or values are changed.
  • the method further comprises a step of determining a further target value of the valve control parameter as a function of a further target value of the movement parameter of the hydraulic cylinder using the assignment rule with the adapted submodel(s) by means of a computing unit in order to provide the determined further target value of the valve control parameter for operating the hydraulic cylinder, and in particular to operate the hydraulic cylinder based on the provided further target value of the valve control parameter.
  • the same assignment rule is used to determine the target value and to determine the further target value, wherein at least one of the local linear models included in the assignment rule is adapted to determine the further target value.
  • the present invention relates to a computing unit for providing a valve control parameter of a valve unit assigned to a hydraulic cylinder of a, in particular mobile, work machine according to claim 10.
  • the present invention relates to a system with a hydraulic cylinder, a valve unit associated with the hydraulic cylinder and a computing unit according to claim 11.
  • the present invention relates to a, in particular mobile, work machine according to claim 12.
  • the invention relates to a computer program or a computer program product comprising instructions which, when executed by a computer or a control unit, cause the computer or a control unit to carry out and/or control the steps of the method according to the first aspect of the invention, as well as a machine-readable storage medium on which the computer program is stored.
  • the machine-readable or A computer-readable storage medium can be, for example, a data carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory.
  • the work machine can be a stationary or preferably a mobile work machine.
  • the work machine can be a work machine for construction, agricultural, forestry or logistical purposes.
  • the mobile work machine can be, for example, an excavator, a wheel loader, a bulldozer, an industrial truck, a telescopic loader or an aerial work platform.
  • the stationary work machine can be, for example, a hydraulically driven industrial robot.
  • the work machine comprises a work unit.
  • the work unit of the work machine can be a work unit for processing and/or treating an agricultural and/or forestry and/or construction area and/or for transporting a load.
  • the work unit can be an attachment.
  • the work tool comprises a work arm, a lifting frame or a lifting mast.
  • the attachment can be, for example, a bucket, a shovel or a work basket.
  • the attachment can be arranged on a working arm, a lifting frame or a lifting mast of the work machine.
  • the work machine further comprises at least one hydraulic cylinder for moving the work unit.
  • the hydraulic cylinder or the hydraulic cylinder is designed to generate a relative movement between the work unit or the attachment and a main machine unit of the work machine.
  • the main machine unit comprises, for example, an operator's cabin and/or a drive unit of the work unit.
  • the main machine unit can be, for example, an upper carriage of an excavator or a rear carriage of a wheel loader.
  • the work unit or the attachment can therefore be moved relative to the main machine unit of the work machine by means of the hydraulic cylinder.
  • the hydraulic cylinder comprises a housing and a piston.
  • the piston is actuated by pressurizing a hydraulic fluid, preferably a Hydraulic fluid, movable relative to the housing, in particular capable of being inserted into and removed from the housing.
  • the valve unit assigned to the hydraulic cylinder is designed to set a predetermined and/or predeterminable flow of the hydraulic fluid through the valve unit and/or to subject the hydraulic fluid to a predetermined and/or predeterminable pressure.
  • the valve unit assigned to the hydraulic cylinder is designed to generate a relative movement between the piston and the housing of the hydraulic cylinder.
  • the valve unit can comprise one or more valves.
  • the valve can be designed as a solenoid valve or a pneumatically actuated valve or pneumatic valve.
  • the valve unit can comprise a pilot valve, in particular an electromagnetic one, and preferably a main valve, in particular a pneumatically actuated one, associated with the pilot valve.
  • a relative movement between the piston and the housing of the hydraulic cylinder can be controlled.
  • This relative movement can generate a relative movement between the attachment and the main machine unit of the work machine, in particular between the attachment and a work arm and/or a lifting frame of the work machine, based on an arrangement of the hydraulic cylinder on the work machine.
  • control can be understood as control in the sense of generating an output variable based on an input variable.
  • Control can further and preferably be understood as control that includes regulation in the sense of continuously determining an actual value of a variable to be regulated and continuously comparing the actual value with a target value of the variable to be regulated.
  • the computing unit preferably comprises one or more, in particular cascaded, controllers.
  • the computing unit can be arranged on the working machine.
  • the computing unit can be arranged away from the working machine, e.g. in a server backend or a cloud computing system and be connectable to the work machine via a wireless communication connection.
  • the movement parameter of the hydraulic cylinder is a parameter of a movement of the hydraulic cylinder.
  • the movement of the hydraulic cylinder is preferably a relative movement between the piston and the housing of the hydraulic cylinder.
  • the movement of the hydraulic cylinder can be a uniform or, preferably uniform, accelerated movement.
  • the movement parameter of the hydraulic cylinder can be a speed and/or an acceleration.
  • the movement parameter is a relative speed and/or a relative acceleration between the piston and the housing of the hydraulic cylinder.
  • the movement parameter can include an amount and a direction of the speed and/or the acceleration.
  • determining a target value can be understood as determining at least one target value.
  • the target value is a predetermined and/or predeterminable value and/or a previously determined value.
  • determining the target value includes determining a plurality or a set of target values. It is conceivable that the plurality or set of target values represents a temporal sequence of target values.
  • the target value of the movement parameter is accordingly a value or a temporal progression of the value of the movement parameter according to which a movement of the hydraulic cylinder is to take place.
  • a target value of a motion parameter designed as a speed and also a target value of a further motion parameter designed as an acceleration of the hydraulic cylinder are determined.
  • target values for further or higher time derivatives of the speed or acceleration of the hydraulic cylinder can be determined.
  • one or more target values of one or more motion parameters of one or more several additional hydraulic cylinders wherein the one or more additional hydraulic cylinders are assigned to the same valve unit as the hydraulic cylinder or are operated by means of the same valve unit.
  • the valve control parameter of the valve unit can be a parameter of one or more valves of the valve unit, based on which the valve(s) of the valve unit are controlled.
  • the valve control parameter can be a valve current or a current strength of a solenoid valve.
  • the valve control parameter can also be a pressure by means of which a pneumatically actuated valve is actuated.
  • the valve control parameter can also be a geometric and/or fluidic valve parameter, such as an opening area of a valve orifice of a valve of the valve unit. It is also conceivable that the valve control parameter is a position of an operating element, in particular a joystick, of the working machine. The operating element can serve as a means for controlling the movement of the hydraulic cylinder.
  • the position of the operating element of the working machine can be a position or a state of the operating element.
  • the valve unit assigned to the hydraulic cylinder is controlled in order to move the hydraulic cylinder.
  • each position of the control element is assigned a control signal for controlling the valve unit or a state of the valve unit.
  • an assignment rule can be understood as a rule which maps the target value of the movement parameter to the target value of the valve control parameter.
  • the assignment rule is preferably part of a feedforward control of a controller, in particular a speed controller, used to determine the target value of the valve control parameter.
  • the proposed method can thus be designed as a method for controlling the speed of the hydraulic cylinder, which enables an adaptation of the at least one local linear model during operation of the hydraulic cylinder or during operation of the working machine.
  • the assignment rule comprises at least two submodels, which are designed as local linear models.
  • a local linear model can be understood as a data-based model that is set up to map an input variable comprising at least one value of the movement parameter of the hydraulic cylinder to a value of the valve control parameter.
  • the input variable can comprise a value of a speed and an acceleration of the hydraulic cylinder.
  • the input variable can comprise one or more further parameters of the hydraulic cylinder and/or the working machine, for example pressure and/or temperature of a hydraulic fluid of the hydraulic cylinder, engine speed of the working machine and/or a difference between a load pressure of the working unit and a pressure provided by a pump unit for pressurizing the hydraulic fluid.
  • the submodels included in the assignment rule and designed as local linear models are preferably set up to map target values of the motion parameter to target values of the valve control parameter. In other words, the submodels have the same input variable space and the same output variable space.
  • a weighting of the output variable of the local linear model depends on the input variable (locality property).
  • a weighted sum of the output variables of the local linear models is determined depending on a target value of the motion parameter, with a weighting function for determining the weighted sum preferably depending on the target value of the motion parameter.
  • the weighting function can additionally or alternatively depend on a value of one or more other parameters, e.g. pressure or temperature.
  • Typical examples of local linear models are "Local Linear Model Trees" (LoLiMoT for short) or "Rectified Linear Unit-based Local Linear Model Tree” (ReLuMot for short).
  • Local linear models differ from artificial neural networks in essential aspects: The training of local linear models is purely deterministic. The number of parameters required for local linear models is usually lower. In particular, continuous online updates of local linear models are possible both in the cloud and on embedded systems. Furthermore, local linear models are particularly well suited for low-dimensional input variables.
  • Local linear models are preferably trained with the entirety of the available training data.
  • weighted training is carried out here, which means that individual training data comprising values of motion parameters and valve control parameters have a different effect on the various local linear models.
  • This effect or influence correlates with a distance to a center of the local model and can also be defined as the affiliation of the respective input variable, comprising the motion parameter u and/or one or more other parameters, to the i-th local linear model LLM t with where m is the total number of local linear models covered by the assignment rule.
  • Any kernel function e.g. a Gaussian function, can be used as a membership function 0(... ) representing the membership.
  • the mapping rule may further represent one or more physical models and/or one or more data-based models for mapping the setpoint value of the motion parameter to the setpoint value of the valve control parameter.
  • the data-based model may be a mathematical model or a mathematical algorithm that is designed to convert an input variable to an output variable using training data.
  • the training data represents a correlation of values of the input variable and values of the output variable.
  • the data-based model can also be referred to as a black box model.
  • the data-based part can represent a non-linear part of the model, in particular a part of the model that is significantly dependent on a load acting on the work unit.
  • the physical model can be a mathematical model or a mathematical algorithm that is designed to map an input variable to an output variable using one or more physical equations or functions.
  • the one or more physical equations represent or approximate a physical law underlying the relationship between the input variable and the output variable.
  • the physical model can also be referred to as a white box model.
  • a combination, especially a parallel or sequential use, of a data-based model and a physical model can, following the nomenclature of systems theory, also be referred to as a grey box model or hybrid model.
  • the (further) target value of the valve control parameter is also determined as a function of, in particular, a value of, at least one further parameter of the hydraulic cylinder and/or the working machine.
  • the further parameter is preferably a parameter that is different from the movement parameter.
  • the further parameter can also correspond to a time derivative of the movement parameter.
  • the further parameter can be a pressure, for example a pressure of a hydraulic fluid of the hydraulic cylinder.
  • the further parameter is preferably a pressure difference between a pressure on a piston side of the hydraulic cylinder and a pressure on a rod side of the hydraulic cylinder.
  • the further parameter is a difference between a load pressure of the working unit and a pressure provided by a pump unit for pressurizing the hydraulic fluid.
  • the further parameter is a temperature of a hydraulic fluid of the hydraulic cylinder. It is also conceivable that the additional parameter is a speed of a motor of the working machine. In other words, one or more values of the value(s) described above can represent additional input variables of the local linear models.
  • the determination of the target value of the valve control parameter can be preceded by a step of providing, in particular determining, the target value of the movement parameter of the hydraulic cylinder.
  • the target value of the movement parameter is preferably determined as a function of a provided target position of a working unit of the, in particular mobile, working machine.
  • a target position of the work unit can be a spatial relative position of the work unit relative to the work machine comprising the work unit or a spatial position in an external reference coordinate system, e.g. a global satellite navigation system or a reference coordinate system of a position-detecting sensor unit.
  • the target position of an attachment is preferably a spatial position of the tool center point (TCP) of the attachment.
  • TCP tool center point
  • the target position of the work unit or the attachment can be specified, for example, for a work step of a work process to be carried out using the work machine.
  • the target position of the attachment can also include a spatial orientation of the attachment, e.g. relative to the main machine unit of the work machine.
  • the determination of the target value of the movement parameter depending on the target position of the work unit can be carried out by means of software-based trajectory planning for the work unit or the attachment or for the work machine.
  • the determination of the target value of the movement parameter can be carried out taking into account at least part of the kinematics of the work machine.
  • Providing the determined (further) setpoint value can include outputting a signal representing, indicating or encompassing the determined (further) setpoint value. Based on the output signal The valve unit and/or the hydraulic cylinder can be operated, in particular controlled, directly or indirectly.
  • the proposed method enables changes in the behavior of (partially) automated work machines in regular fleet operation caused by production tolerances, environmental influences and aging effects to be compensated for in an efficient, machine-specific manner.
  • the proposed approach enables online adaptation of the assignment rule used to determine the setpoint of the valve control parameter, which can also be carried out on control units with low memory and computing capacities, e.g. on an embedded system. This means that the performance of the assignment rule, in particular of the controller structures used and thus the accuracy when following a given TCP trajectory, can be permanently ensured.
  • By using local linear models even a complex system behavior of the work machine with limited computing resources can be efficiently mapped during operation, thus providing a control structure with a current representation of the system behavior.
  • the submodels included in the assignment rule used to determine the target value of the valve control parameter were trained based on training data recorded during operation of the and/or another hydraulic cylinder of the and/or another, in particular mobile, work machine.
  • the further work machine is in particular a reference work machine that is different from the work machine.
  • the training preferably takes place before operating the hydraulic cylinder or the work machine, for example during or immediately after a production phase of the work machine.
  • the training data can be generated, for example, using a method known to the person skilled in the art from DE 10 2021 214 049 A1 and/or reduced using a method known to the person skilled in the art from DE 10 2021 214 042 A1.
  • specially prepared training data is generated based on a representative vehicle, which allows the best possible coverage of all possible operating areas (design of experiment).
  • This so-called initial model serves as the basis for further adaptation, for example by the customer or end user, in order to approximate the special properties or characteristics of the respective machine online.
  • This design enables offline training before commissioning of the cylinder or the working machine, whereby the adaptation of the submodels according to the proposed method can be carried out within defined limits of an offline predefined range and thus stability problems are avoided.
  • the method includes a step of selecting the at least one submodel to be adapted based on the read-in actual values of the movement parameter and the valve control parameter, in particular by means of the computing unit. It is conceivable that one, several or all of the submodels included in the assignment rule are selected. Preferably, the at least one submodel to be adapted is selected based on the read-in actual value of the movement parameter and independently of the actual value of the corresponding valve control parameter. By adapting only selected submodels, the computational effort of the method can be further reduced.
  • the method comprises a step of determining a membership parameter, in particular by means of the computing unit, which represents an affiliation of the read-in actual value of the motion parameter to the submodels of the assignment rule in order to select the at least one submodel to be adapted based on the determined membership parameter.
  • the membership parameter is preferably based on a distance, for example weighted by means of a Gaussian function, between the actual value of the motion parameter and a reference value for actual values of the motion parameter, in particular a center related to the actual values of the motion parameter, of the respective local linear model.
  • each dimension of the motion parameter for example a dimension of the cylinder speed and a dimension of the cylinder acceleration, is halved several times in order to divide a value range of the motion parameter into respective partial value ranges and to assign one of the partial value ranges to each of the local linear models.
  • a center can be defined, for example as a geometric center, which serves as a reference point or reference value for determining the membership parameter for the respective local linear model.
  • This design allows the submodel(s) to be selected to be calculated numerically particularly efficiently, so that the method can also be executed in real time on embedded systems with limited computing resources.
  • one or more mapping parameters of the submodel are adapted, wherein a number of submodels and/or an assignment between value ranges of the motion parameter and the submodels are retained.
  • the number of submodels covered by the assignment rule and/or the assignment between the value ranges of the motion parameter and the submodels are not changed.
  • one or more mapping parameters of the submodel and also a number of submodels and/or an assignment between value ranges of the motion parameter and the submodels are adapted.
  • the number of submodels covered by the assignment rule and/or the assignment between the value ranges of the motion parameter and the submodels are also changed. It is conceivable that a number of submodels is increased or decreased. It is also conceivable that, alternatively or additionally, an assignment between value ranges of the motion parameter and at least two of the submodels is changed. This configuration can further improve the accuracy of the method.
  • the at least one submodel is only adjusted if a deviation between the determined target value of the movement parameter and the corresponding actual value of the movement parameter is greater than or equal to a threshold value and/or is less than or equal to a maximum value.
  • the threshold value and/or the maximum value can be a predefined or predefinable value. It is conceivable that in the adjustment step, the deviation between the determined target value of the movement parameter and the corresponding actual value of the movement parameter is first determined and then a comparison is made with the threshold value and/or the maximum value in order to decide based on the comparison whether an adjustment of one of the submodels is necessary at all. In the event that an adjustment is necessary based on the comparison, the at least one submodel to be adjusted can be selected, for example based on the membership parameter to be determined. This In this design, the submodel is only adjusted when necessary, without taking into account drastic deviations between actual and target values, particularly due to operation of the working machine outside of a specified working range. The submodel is therefore adjusted when an improvement of the controller is possible, whereby actual values from extreme operation of the working machine are not taken into account.
  • the at least one adapted submodel is provided in a stationary state of the hydraulic cylinder for determining the further target value.
  • the stationary state can represent a standstill or a rest phase of the hydraulic cylinder, for example in a stationary state, in particular a standstill or a rest phase, of the working machine.
  • the adaptation of the at least one submodel can take place before, for example during a movement of the hydraulic cylinder and/or the working machine, or in the stationary state.
  • one or more adapted mapping parameters of the local linear models can be determined continuously, but the adapted submodel can only be provided for determining the further target value when the hydraulic cylinder and/or the working machine are in a stationary state.
  • the at least one adapted submodel can be provided for determining the further target value, in particular immediately after the adaptation step, regardless of a state of the hydraulic cylinder and/or the working machine.
  • This design allows an online update of the assignment rule to be made dependent on the operating state of the hydraulic cylinder and/or the working machine by adapting one or more of the local linear models.
  • the method comprises a step of outputting a signal depending on the determined setpoint value and/or the determined further setpoint value of the valve control parameter to the valve unit, in particular by means of the computing unit, in order to control the valve unit in response to the output signal, and in particular to operate or move the hydraulic cylinder by controlling the valve unit.
  • the working unit, in particular the attachment, of the work machine, in particular a mobile one can in turn be operated by operating the hydraulic cylinder.
  • the output signal can be a signal transmitted wired or wirelessly from the computing unit, directly or indirectly, to the valve unit.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a control unit for
  • Fig. 2 is a flow chart of a method for providing a
  • Valve control parameter of a valve unit assigned to a hydraulic cylinder of a working machine is a parameter assigned to a hydraulic cylinder of a working machine.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a control unit 10 for operating a working unit of a work machine, in particular a mobile work machine, which can be operated by means of a hydraulic cylinder 26.
  • the work machine comprises the working unit, the hydraulic cylinder 26, a valve unit 24 assigned to the hydraulic cylinder 26 and the control unit 10.
  • the working unit is operated by means of the hydraulic cylinder, in particular moved relative to a main machine unit of the work machine.
  • the working machine can be, for example, an excavator which comprises a working unit designed as a working arm.
  • the working arm has a boom, a stick and a bucket as well as a boom cylinder, a stick cylinder and a bucket cylinder.
  • Each of the cylinders is assigned a corresponding valve unit for moving the cylinder.
  • the control unit 10 is configured to receive a target position r R of the working unit.
  • the target position r R may further include an indication regarding a spatial orientation of the work unit.
  • the control unit 10 can be configured to receive spatial target coordinates of a tool center point (TCP) of the bucket of the excavator as well as an angle of the bucket relative to a predetermined reference direction.
  • TCP tool center point
  • the target position r R can be part of a target trajectory of the work unit. It is conceivable that the target trajectory is determined by an operator of the work machine and/or by means of a computing unit 12 for generating a target trajectory for the work machine and is provided to the control unit 10.
  • the target position r R of the work unit is provided to a pose module 14 of the control unit 10.
  • the pose module 14 is preferably designed as part of a cascade controller and is set up to receive the target position r R of the work unit and also the actual position r of the work unit from a sensor unit 28 that detects the actual position r of the work unit. Furthermore, the pose module 14 is set up to determine a target speed r R of the work unit based on a deviation between the target position r R and the actual position r of the work unit, by means of which the actual position r can be transferred to the target position r R.
  • the target position r R of the TCP and the actual position r of the TCP are received by means of the pose module 14 and a target speed r R of the TCP is calculated based on the deviation.
  • the pose module 14 can also be configured to determine a target acceleration r R of the work unit based on the deviation between the target position r R and the actual position r of the work unit or the determined target speed r R.
  • the control unit 10 comprises a differential inverse kinematics module 16, which is set up to determine a target value s R of a motion parameter of the hydraulic cylinder 26 based on the target speed r R of the working unit.
  • the determination of the target value s R of the motion parameter is preferably carried out taking into account a kinematics of the working unit of the working machine, in particular by solving the inverse kinematic problem for the working machine.
  • a target speed s R is calculated for the boom cylinder, the stick cylinder and the bucket cylinder based on the target speed r R of the TCP of the excavator.
  • the target value s R of the motion parameter of the hydraulic cylinder 26 can be a target speed s R of the hydraulic cylinder 26.
  • the inverse kinematics module 16 is also set up to alternatively or additionally determine a target acceleration s R of the hydraulic cylinder 26 as a target value of a, in particular further or additional, motion parameter.
  • the control unit 10 is also designed to determine, by means of a speed module 18, a setpoint u of a valve control parameter of the valve unit 24 as a function of the setpoint s R of the movement parameter of the hydraulic cylinder 26.
  • the speed module 18 is preferably designed as a speed controller 18 and is set up to receive the setpoint value s R of the movement parameter and the actual value s R of the movement parameter of the hydraulic cylinder 26, preferably also the setpoint value s R of the further movement parameter.
  • the speed module 18 is also set up to determine the setpoint value u of the valve control parameter based on a deviation between the setpoint value s R and the actual value s of the movement parameter.
  • the speed module 18 is configured to additionally take into account one or more of the following influencing variables when determining the setpoint u of the valve control parameter:
  • the speed module 18 preferably comprises a PI controller with a feedforward control 18a. This means that even in the case of complex and non-linear behavior, the load on the PI controller can be reduced so that its feedback control 18b only has to take disturbances and model errors into account.
  • the pilot control 18a represents an inverse behavior of the working unit regarding the relationship between the motion parameter of the hydraulic cylinder 26 and the valve control parameter of the respective valve unit 24. In other words, the pilot control 18a determines a value u of the motion parameter of the hydraulic cylinder 26 based on a predetermined value of the valve control parameter.
  • the pre-control 18a is carried out using an assignment rule which comprises at least two sub-models designed as local linear models. At least one of the local linear models comprised by the assignment rule is adapted according to the method described with reference to Fig. 2 when operating the hydraulic cylinder 26 or the working machine.
  • the control unit 10 comprises a speed module 18 designed as a PI controller for determining a setpoint value u of the valve control parameter for the valve unit assigned to the respective cylinder.
  • a speed module 18 designed as a PI controller for determining a setpoint value u of the valve control parameter for the valve unit assigned to the respective cylinder.
  • Each of the PI controllers comprises its own pilot control 18a.
  • the setpoint u of the valve control parameter is output as a manipulated variable of the speed module 18.
  • the setpoint u of the valve control parameter is in particular a sum of an output variable u FB of the feedback 18b and an output variable u FF of the feedforward control 18a.
  • the control unit 10 is further configured to output the determined target value u of the valve control parameter to the system 20.
  • the system 20 comprises a control module 22, the valve unit 24 and the hydraulic cylinder 26.
  • the system 20 represents a control system of the speed controller 18.
  • the control module 22 is configured to operate the valve unit 24 based on the signal output by the control unit 10.
  • the valve unit 24 is designed to adjust a flow of a hydraulic fluid through the valve unit 24 in response to the signal output to the control module 22 in order to move the hydraulic cylinder 26. In other words, by outputting the signal to the valve unit 24 as a function of the determined target value u of the valve control parameter, the hydraulic cylinder 26 is operated and thus the working unit is moved.
  • One or more of the sensors 28 arranged on the work machine are designed to measure the actual position r of the work unit, an actual position or actual setting s of the hydraulic cylinder 26, and preferably the influencing variables listed above, in particular ss, p cyh p sys .
  • Suitable model-based filters 30 are preferably assigned to the sensors 28.
  • the model-based filters 30 are configured to output the actual position r of the working unit to the pose module 14 and to the inverse kinematics module 16, to output the actual position or actual setting s of the hydraulic cylinder 26 to the inverse kinematics module 16, and preferably to output the influencing variables listed above, in particular ss, p cyh p sys to the speed module 18.
  • Fig. 2 shows a flow chart of a method for providing a valve control parameter of a valve unit assigned to a hydraulic cylinder of a work machine, in particular a mobile one. The method is provided in its entirety with the reference number 100.
  • the method 100 is carried out during operation of the work machine, for example during processing and/or treating a agricultural and/or forestry and/or construction area and/or when transporting a load.
  • the method 100 is preferably carried out by means of a control unit of the work machine.
  • the control unit comprises a processor, a storage medium with a computer program, and at least one communication interface.
  • the computer program comprises commands which, when executed by the processor, cause the control unit to carry out the method 100 described below.
  • the method 100 comprises a step 110 of determining a target value u of a valve control parameter of a valve unit assigned to the hydraulic cylinder as a function of a target value s R , s R of a motion parameter of the hydraulic cylinder using an assignment rule in order to provide the determined target value of the valve control parameter for operating the hydraulic cylinder.
  • the assignment rule comprises at least two submodels LLM1, LLM2 designed as local linear models LLM1, LLM2.
  • a weighted sum of the output variables u 1 , u 2 of the local linear models LLM1, LLM2 is determined, wherein a weighting function O(s R , s R ) for determining the weighted sum for m local linear models depends on the target value of the motion parameter s R , s R :
  • predictions are carried out with all m local linear models, whereby the prediction of the overall model is determined by a weighted average of all predictions of the local models.
  • s R of the motion parameter one or more additional parameter values, e.g. selected from the influencing variables described above, can be taken into account.
  • the method 100 comprises a step 120 of outputting a signal depending on the determined target value of the valve control parameter to the Valve unit to control the valve unit in response to the output signal and thus operate the hydraulic cylinder based on the determined target value of the valve control parameter.
  • the method 100 comprises a step 130 of reading in the actual values of the movement parameter and the valve control parameter detected during operation of the hydraulic cylinder.
  • the method 100 comprises a step 140 of adapting at least one of the submodels of the assignment rule depending on the read actual values of the motion parameter and the valve control parameter.
  • the adjustment step 140 includes a step 142 of determining a membership parameter ij, which represents a membership of the read-in actual value of the motion parameter to the submodels LLM t of the assignment rule.
  • the membership parameter ij can be determined, for example, as a distance to a center of the respective local linear model LLM t :
  • m again denotes the total number of local linear models covered by the assignment rule.
  • a Gaussian function for example, can be used as a membership function ( s R , s R ) representing the membership.
  • the adjustment step 140 further comprises a step 144 of selecting the at least one submodel to be adjusted based on the read-in actual values of the movement parameter and the valve control parameter, in particular based on the determined membership parameter, optionally taking into account one or more further parameters, for example selected from the influencing variables described above.
  • the submodel or submodels are used as Submodels to be adapted are selected for which the membership parameter Hi exceeds a given or predefinable threshold value E.
  • the adjustment step 140 further comprises a step 146 of adjusting one or more mapping parameters of the at least one submodel to be adjusted.
  • the adjustment of the mapping parameters can be carried out, for example, using a least squares method known to those skilled in the art, for example by means of a recursive least squares algorithm.
  • a model type of the submodels, the number of submodels and the mapping between the value ranges of the motion parameter and the local models or the weighting of the output variables of the local linear models are preferably defined or determined as part of offline training.
  • the assignment rule with the local linear models trained on the basis of these training data sets can be provided as an initial assignment rule for step 110.
  • the initial assignment rule can thus serve as a basis for further adaptation by a customer or end user of the working machine, so that special properties or characteristics of the respective machine, in particular due to production tolerances, environmental influences and aging effects, can be approximated online.
  • the method 100 comprises a step 150 of determining a further setpoint value of the valve control parameter as a function of a further setpoint value of the movement parameter of the hydraulic cylinder using the assignment rule with the adapted submodel(s) in order to provide the determined further setpoint value of the valve control parameter for operating the hydraulic cylinder.
  • the method 100 includes a step 160 of outputting a further signal to the valve unit as a function of the determined further target value of the valve control parameter in order to control the valve unit in response to the output further signal and thus operate the hydraulic cylinder based on the determined further target value of the valve control parameter.
  • step 130 the method continues in step 130.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder (26) einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine zugeordneten Ventileinheit (24), mit folgenden Schritten vorgeschlagen: - Ermitteln eines Sollwerts des Ventilsteuerparameters der Ventileinheit (24) in Abhängigkeit von einem Sollwert eines Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders (26) unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift, welche zumindest zwei als lokale lineare Modelle ausgebildete Submodelle umfasst, um den ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) bereitzustellen; - Einlesen von bei dem Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) erfassten Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters; - Anpassen zumindest eines der Submodelle in Abhängigkeit der eingelesenen Ist-Werte; und - Ermitteln eines weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters in Abhängigkeit von einem weiteren Sollwert des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders (26) unter Verwendung der Zuordnungsvorschrift mit dem oder den angepassten Submodell(en) mittels einer Recheneinheit (10), um den ermittelten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) bereitzustellen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Bereitstellen eines
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einer einem
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Ventileinheit
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Recheneinheit zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine zugeordneten Ventileinheit Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein System, eine Arbeitsmaschine, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Moderne Arbeitsmaschinen ermöglichen zunehmend das Ausführen von automatisierten oder teilautomatisierten Arbeitsprozessen. Inhalt der Funktionalität ist dabei häufig das automatisierte Folgen einer gewünschten Trajektorie für den Tool Center Point (TCP) oder bei Assistenzfunktionen die Unterstützung des Fahrers beim Folgen einer gewünschten Trajektorie. Um die physikalischen Zusammenhänge eines komplexen hydraulischen Systems abzubilden, kommen hierbei u.a. rein datenbasierte oder hybride Regelstrukturen zum Einsatz. Dadurch können auch nichtlineare Zusammenhänge des Systems mit ausreichender Qualität approximiert werden.
Es wurde jedoch festgestellt, dass selbst für Arbeitsmaschinen aus der gleichen Baureihe aufgrund von Produktionstoleranzen, Umwelteinflüssen wie bspw. Umgebungstemperatur, Luftdruck, Luftqualität etc. und Alterungseffekten sich das Maschinenverhalten im Betrieb laufend verändert. Diese Veränderungen haben einen negativen Einfluss auf die Performanz der verwendeten Reglerstrukturen und reduzieren dadurch bspw. eine Genauigkeit beim Abfolgen einer vorgegebenen TCP-Trajektorie. Dadurch kann sowohl eine maschinenindividuelle Erstkalibirierung nach der Produktion als auch eine Neukalibrierung nach einer bestimmten Betriebsdauer der Arbeitsmaschine erforderlich sein.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine zugeordneten Ventileinheit, insbesondere mittels einer Recheneinheit, gemäß dem Anspruch 1.
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermittelns eines Sollwerts eines Ventilsteuerparameters einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Sollwert eines Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift, welche zumindest zwei als lokale lineare Modelle ausgebildete Submodelle umfasst, um den ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders bereitzustellen, und insbesondere den hydraulischen Zylinder basierend auf dem ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zu betreiben.
Weiter umfasst das Verfahren einen Schritt des Einlesens von bei dem Betreiben des hydraulischen Zylinders erfassten Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters. Bevorzugt umfassen die eingelesenen Ist-Werte zumindest einen Ist-Wert des Bewegungsparameters und zumindest einen korrespondierenden Ist-Wert des Ventilsteuerparameters. Die Ist-Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters können mittels ein oder mehrerer an der Arbeitsmaschine angeordneten Sensoreinheiten, insbesondere kontinuierlich, bei einem Betreiben des hydraulischen Zylinders erfasst werden. Bevorzugt werden die Ist-Werte beim Betreiben des hydraulischen Zylinders bzw. der Arbeitsmaschine eingelesen.
Außerdem umfasst das Verfahren einen Schritt des Anpassens zumindest eines der Submodelle in Abhängigkeit der eingelesenen Ist-Werte. Das heißt, mit anderen Worten, ansprechend auf die bei dem Betreiben des hydraulischen Zylinders erfassten Ist-Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters werden ein oder mehrere Parameter zumindest eines der Submodelle der Zuordnungsvorschrift angepasst, insbesondere dessen oder deren Werte verändert.
Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Ermittelns eines weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters in Abhängigkeit von einem weiteren Sollwert des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders unter Verwendung der Zuordnungsvorschrift mit dem oder den angepassten Submodell(en) mittels einer Recheneinheit, um den ermittelten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders bereitzustellen, und insbesondere den hydraulischen Zylinder basierend auf dem bereitgestellten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zu betreiben. Das heißt, anderen Worten, zum Ermitteln des Sollwerts und dem Ermitteln des weiteren Sollwerts wird dieselbe Zuordnungsvorschrift verwendet, wobei zum Ermitteln des weiteren Sollwerts zumindest eines der von der Zuordnungsvorschrift umfassten lokalen linearen Modelle angepasst wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Recheneinheit zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, zugeordneten Ventileinheit gemäß dem Anspruch 10.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System mit einem hydraulischen Zylinder, einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit und einer Recheneinheit gemäß dem Anspruch 11.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine, insbesondere mobile, Arbeitsmaschine gemäß dem Anspruch 12.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer oder eine Steuereinheit diesen bzw. diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen und/oder zu steuern, sowie einen maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Das maschinenlesbare bzw. computerlesbare Speichermedium kann bspw. ein Datenträger wie ein Halbleiterspeicher, ein Festplattenspeicher oder ein optischer Speicher sein.
Die Arbeitsmaschine kann eine stationäre oder bevorzugt eine mobile Arbeitsmaschine sein. Die Arbeitsmaschine kann eine Arbeitsmaschine für bauwirtschaftliche, landwirtschaftliche, forstwirtschaftliche oder logistische Zwecke sein. Die mobile Arbeitsmaschine kann bspw. ein Bagger, ein Radlader, eine Planierraupe, ein Flurförderzeug, ein Teleskoplader oder eine Hubarbeitsbühne sein. Die stationäre Arbeitsmaschine kann bspw. ein hydraulisch angetriebener Industrieroboter sein.
Die Arbeitsmaschine umfasst eine Arbeitseinheit. Die Arbeitseinheit der Arbeitsmaschine kann eine Arbeitseinheit zum Bearbeiten und/oder Behandeln einer landwirtschaftlichen und/oder forstwirtschaftlichen und/oder bauwirtschaftlichen Fläche sein und/oder zum Transportieren einer Last sein. Die Arbeitseinheit kann ein Anbaugerät sein. Denkbar ist auch, dass das Arbeitswerkzeug einen Arbeitsarm, ein Hubrahmen oder ein Hubgerüst umfasst.
Das Anbaugerät kann bspw. ein Löffel, eine Schaufel oder ein Arbeitskorb sein. Das Anbaugerät kann an einem Arbeitsarm, einem Hubrahmen oder einem Hubgerüst der Arbeitsmaschine angeordnet sein.
Weiter umfasst die Arbeitsmaschine zumindest einen hydraulischen Zylinder zum Bewegen der Arbeitseinheit. Der hydraulische Zylinder bzw. der Hydraulikzylinder ist ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen der Arbeitseinheit oder dem Anbaugerät sowie einer Maschinenhaupteinheit der Arbeitsmaschine zu erzeugen. Die Maschinenhaupteinheit umfasst beispielsweise eine Bedienerkabine und/oder eine Antriebseinheit der Arbeitseinheit. Die Maschinenhaupteinheit kann beispielsweise ein Oberwagen eines Baggers oder ein Hinterwagen eines Radladers sein. Die Arbeitseinheit bzw. das Anbaugerät ist also mittels des hydraulischen Zylinders relativ zu der Maschinenhaupteinheit der Arbeitsmaschine bewegbar. Hierzu umfasst der hydraulische Zylinder ein Gehäuse und einen Kolben. Der Kolben ist mittels Druckbeaufschlagung eines hydraulischen Fluids, bevorzugt einer Hydraulikflüssigkeit, relativ zu dem Gehäuse bewegbar, insbesondere in das Gehäuse ein- und ausführbar.
Die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit ist ausgebildet, einen vorgegebenen und/oder vorgebbaren Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit durch die Ventileinheit einzustellen und/oder die Hydraulikflüssigkeit mit einem vorgegebenen und/oder vorgebbaren Druck zu beaufschlagen. Die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit ist ausgebildet, eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des Hydraulikzylinders zu erzeugen.
Die Ventileinheit kann ein oder mehrere Ventile umfassen. Das Ventil kann als Magnetventil oder pneumatisch betätigbares Ventil bzw. Pneumatikventil ausgebildet sein. Die Ventileinheit kann ein, insbesondere elektromagnetisches, Pilotventil und bevorzugt ein dem Pilotventil zugeordnetes, insbesondere pneumatisch betätigbares, Hauptventil umfassen.
Mittels Steuern der Ventileinheit basierend auf dem ausgegebenen Signal kann eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des Hydraulikzylinders gesteuert werden. Diese Relativbewegung kann basierend auf einer Anordnung des hydraulischen Zylinders an der Arbeitsmaschine eine Relativbewegung zwischen dem Anbaugerät und der Maschinenhaupteinheit der Arbeitsmaschine, insbesondere zwischen dem Anbaugerät und einem Arbeitsarm und/oder einem Hubrahmen der Arbeitsmaschine, erzeugen.
Unter Steuern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Steuern im Sinne eines Erzeugens einer Ausgangsgröße basierend auf einer Eingangsgröße verstanden werden. Unter Steuern kann weiter und bevorzugt ein, ein Regeln umfassendes Steuern im Sinne eines fortlaufenden Ermittelns eines Istwerts einer zu regelnden Größe und eines fortlaufenden Vergleichens des Istwerts mit einem Sollwert der zu regelnden Größe verstanden werden.
Die Recheneinheit umfasst bevorzugt ein oder mehrere, insbesondere kaskadierte, Regler. Die Recheneinheit kann an der Arbeitsmaschine angeordnet sein. Alternativ kann die Recheneinheit abseits der Arbeitsmaschine angeordnet, bspw. in einem Server-Backend oder einem Cloud-Computing-System und mittels einer drahtlosen Kommunikationsverbindung mit der Arbeitsmaschine verbindbar sein.
Der Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders ist ein Parameter einer Bewegung des hydraulischen Zylinders. Die Bewegung des hydraulischen Zylinders ist bevorzugt eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse des hydraulischen Zylinders. Die Bewegung des hydraulischen Zylinders kann eine gleichförmige oder, bevorzugt gleichmäßig, beschleunigte Bewegung sein.
Der Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders kann eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung sein. Bevorzugt ist der Bewegungsparameter eine Relativgeschwindigkeit und/oder eine Relativbeschleunigung zwischen Kolben und Gehäuse des hydraulischen Zylinders. Der Bewegungsparameter kann einen Betrag und eine Richtung der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung umfassen.
Unter einem Ermitteln eines Sollwerts kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Ermitteln von zumindest einem Sollwert verstanden werden. Hierbei ist der Sollwert ein vorgegebener und/oder vorgebbarer Wert und/oder zuvor ermittelter Wert. Bevorzugt umfasst das Ermitteln des Sollwerts ein Ermitteln einer Mehrzahl oder einer Menge von Sollwerten. Denkbar ist, dass die Mehrzahl bzw. Menge von Sollwerten eine zeitliche Abfolge von Sollwerten repräsentiert. Der Sollwert des Bewegungsparameters ist entsprechend ein Wert oder ein zeitlicher Verlauf des Wertes des Bewegungsparameters, gemäß dem eine Bewegung des hydraulischen Zylinders erfolgen soll.
Denkbar ist, dass im Schritt des Ermittelns des Sollwerts des Bewegungsparameters ein Sollwert eines als Geschwindigkeit ausgebildeten Bewegungsparameters und ferner ein Sollwert eines als Beschleunigung ausgebildeten weiteren Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich können Sollwerte für weitere bzw. höhere zeitliche Ableitungen von Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des hydraulischen Zylinders ermittelt werden. Denkbar ist auch, dass ein oder mehrere Sollwerte eines oder mehrerer Bewegungsparameter eines oder mehrerer weiterer hydraulischen Zylinder ermittelt werden, wobei die ein oder mehreren weiteren hydraulischen Zylinder derselben Ventileinheit wie der hydraulische Zylinder zugeordnet sind bzw. mittels derselben Ventileinheit betrieben werden.
Der Ventilsteuerparameter der Ventileinheit kann ein Parameter einer oder mehrerer Ventile der Ventileinheit sein, basierend auf welchem das bzw. die Ventile der Ventileinheit gesteuert werden. Der Ventilsteuerparameter kann eine Ventilbestromung bzw. eine Stromstärke eines Magnetventils sein. Der Ventilsteuerparameter kann auch ein Druck sein, mittels dessen ein pneumatisch betätigbares Ventil betätigt wird. Der Ventilsteuerparameter kann ferner ein geometrischer und/oder fluidischer Ventilparameter, wie bspw. eine Öffnungsfläche einer Ventilblende eines Ventils, der Ventileinheit sein. Denkbar ist auch, dass der Ventilsteuerparameter eine Stellung eines Bedienelements, insbesondere eines Joysticks, der Arbeitsmaschine ist. Das Bedienelement kann als Mittel zum Steuern der Bewegung des hydraulischen Zylinders dienen. Die Stellung des Bedienelements der Arbeitsmaschine kann eine Position oder ein Zustand des Bedienelements sein. Abhängig von der Stellung bzw. der Position bzw. des Zustands des Bedienelements wird die dem hydraulischen Zylinder zugeordnete Ventileinheit gesteuert, um den hydraulischen Zylinder zu bewegen. Hierzu ist jeder Stellung des Bedienelements jeweils ein Steuersignal zum Steuern der Ventileinheit bzw. ein Zustand der Ventileinheit zugeordnet.
Unter einer Zuordnungsvorschrift kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorschrift verstanden werden, welche den Sollwert des Bewegungsparameters auf den Sollwert des Ventilsteuerparameters abbildet. Bevorzugt ist die Zuordnungsvorschrift Teil einer Vorsteuerung eines zum Ermitteln des Sollwerts des Ventilsteuerparameters verwendeten Reglers, insbesondere Geschwindigkeitsreglers. Somit kann das vorgeschlagene Verfahren als ein Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung des hydraulischen Zylinders ausgebildet sein, das eine Anpassung des zumindest einen lokalen linearen Modells während des Betriebs des hydraulischen Zylinders bzw. der während des Betriebs der Arbeitsmaschine ermöglicht. Die Zuordnungsvorschrift umfasst zumindest zwei Submodelle, welche als lokale lineare Modelle ausgebildet sind. Unter einem lokalen linearen Modell kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein datenbasiertes Modell verstanden werden, das eingerichtet ist, einer zumindest einen Wert des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders umfassenden Eingabegröße auf einen Wert des Ventilsteuerparameters abzubilden. Bspw. kann die Eingabegröße je einen Wert einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung des hydraulischen Zylinders umfassen. Ferner kann die Eingabegröße ein oder mehrere weitere Parameter des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine umfassen, bspw. Druck und/oder Temperatur eines Hydraulikfluids des Hydraulikzylinders, Motordrehzahl der Arbeitsmaschine und/oder eine Differenz zwischen einem Lastdruck der Arbeitseinheit und einem von einer Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids bereitgestellten Druck.
Zwischen der Eingabegröße und der Ausgabegröße besteht ein ein linearer Zusammenhang (Linearitätseigenschaft). Die von der Zuordnungsvorschrift umfassten und als lokale lineare Modelle ausgebildeten Submodelle sind bevorzugt eingerichtet, jeweils Soll-Werte des Bewegungsparameters auf Soll- Werte des Ventilsteuerparameters abzubilden. Das heißt, mit anderen Worten, die Submodelle weisen denselben Eingabegrößenraum und denselben Ausgabegrößenraum auf.
Ferner hängt eine Gewichtung der Ausgabegröße des lokalen linearen Modells von der Eingabegröße ab (Lokalitätseigenschaft). Insbesondere wird zum Ermitteln des Soll-Werts des Ventilsteuerparameters in Abhängigkeit eines Soll- Werts des Bewegungsparameters eine gewichtete Summe aus den Ausgabegrößen der lokalen linearen Modelle ermittelt, wobei eine Gewichtungsfunktion zum Ermitteln der gewichteten Summe bevorzugt von dem Soll-Wert des Bewegungsparameters abhängt. Das heißt, mit anderen Worten, dass in unterschiedlichen Wertebereichen der Eingabegröße unterschiedliche lineare Modelle bezüglich des ermittelten Soll-Werts des Ventilsteuerparameters dominanter sind. Hierbei kann die Gewichtungsfunktion zusätzlich oder alternativ von einem Wert ein oder mehrerer weiterer Parameter, bspw. Druck oder Temperatur, abhängen. Typische Beispiele von lokale linearen Modellen sind „Local Linear Model Trees“ (kurz LoLiMoT) oder „Rectified Linear Unit-based Local Linear Model Tree“ (kurz ReLuMot). Lokale lineare Modelle unterscheiden sich in wesentlichen Aspekten von künstlichen neuronalen Netzen: Das Training der lokalen linearen Modelle erfolgt rein deterministisch. Die Anzahl der für die lokalen linearen Modelle benötigten Parameter ist üblicherweise geringer. Es sind insbesondere kontinuierliche Online-Updates der lokalen linearen Modelle sowohl in der Cloud als auch auf eingebetteten Systemen möglich. Ferner sind lokale lineare Modelle besonders gut für niedrig-dimensionale Eingabegrößen geeignet.
Lokale lineare Modelle werden bevorzugt mit einer Gesamtheit der zur Verfügung stehenden Trainingsdaten trainiert. Hierbei wird jedoch ein gewichtetes Training durchgeführt, das heißt, dass einzelne Trainingsdaten umfassend Werte von Bewegungsparameter und Ventilsteuerparameter auf die verschiedenen lokalen linearen Modelle unterschiedlich stark einwirken. Diese Einwirkung bzw. dieser Einfluss korreliert mit einem Abstand zu einem Zentrum des lokalen Modells und kann auch als Zugehörigkeit der jeweiligen Eingabegröße, umfassend den Bewegungsparameter u und/oder ein oder mehrere weitere Parameter, zum i-ten lokalen linearen Modell LLMt mit
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bezeichnet werden, wobei m die Anzahl der von der Zuordnungsvorschrift insgesamt umfassen lokalen linearen Modelle bezeichnet. Als eine die Zugehörigkeit repräsentierende Zugehörigkeitsfunktion 0(... ) kann eine beliebige Kernelfunktion, bspw. eine Gauß-Funktion, verwendet werden.
Die Zuordnungsvorschrift kann ferner ein oder mehrere physikalische Modelle und/oder ein oder mehrere datenbasierte Modelle zum Abbilden des Sollwerts des Bewegungsparameters auf den Sollwert des Ventilsteuerparameters repräsentieren.
Das datenbasierte Modell kann ein mathematisches Modell bzw. ein mathematischer Algorithmus sein, das bzw. der ausgebildet ist, eine Eingabegröße unter Verwendung von Trainingsdaten auf eine Ausgabegröße abzubilden. Die Trainingsdaten repräsentieren eine Korrelation von Werten der Eingabegröße und Werten der Ausgabegröße. Das datenbasierte Modell kann der Nomenklatur der Systemtheorie folgend auch als Black Box Modell bezeichnet werden. Insbesondere kann das datenbasierte Anteil einen nichtlinearen Anteil des Modells, insbesondere einen signifikant von einer auf die Arbeitseinheit wirkenden Last abhängigen Anteil des Modells, repräsentieren.
Das physikalische Modell kann ein mathematisches Modell bzw. ein mathematischer Algorithmus sein, das bzw. der ausgebildet ist, eine Eingabegröße unter Verwendung ein oder mehrerer physikalischer Gleichungen bzw. Funktionen auf eine Ausgabegröße abzubilden. Die ein oder mehreren physikalischen Gleichungen repräsentieren oder approximieren eine dem Zusammenhang zwischen Eingabegröße und Ausgabegröße zu Grunde liegende physikalische Gesetzmäßigkeit. Das physikalische Modell kann der Nomenklatur der Systemtheorie folgend auch als White Box Modell bezeichnet werden.
Eine Kombination, insbesondere eine parallele oder sequentielle Verwendung, von datenbasiertem Modell und physikalischen Modell kann der Nomenklatur der Systemtheorie folgend auch als Grey Box Modell oder Hybridmodell bezeichnet werden.
Vorteilhafterweise wird der (weitere) Sollwert des Ventilsteuerparameters ferner in Abhängigkeit von, insbesondere einem Wert von, zumindest einem weiteren Parameter des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine ermittelt. Der weitere Parameter ist bevorzugt ein von dem Bewegungsparameter verschiedener Parameter. Der weitere Parameter kann auch einer zeitlichen Ableitung des Bewegungsparameters entsprechen. Der weitere Parameter kann ein Druck sein, bspw. ein Druck eines Hydraulikfluids des Hydraulikzylinders sein. Der weitere Parameter ist bevorzugt eine Druckdifferenz zwischen einem Druck an einer Kolbenseite des hydraulischen Zylinders und einem Druck an einer Stangenseite des hydraulischen Zylinders. Alternativ oder zusätzlich ist der weitere Parameter eine Differenz zwischen einem Lastdruck der Arbeitseinheit und einem von einer Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids bereitgestellten Druck. Denkbar ist auch, dass der weitere Parameter eine Temperatur eines Hydraulikfluids des hydraulischen Zylinders ist. Denkbar ist weiter, dass der weitere Parameter eine Drehzahl eines Motors der Arbeitsmaschine ist. Das heißt, mit anderen Worten, ein oder mehrere Werte des oder der vorstehend beschriebenen Werte können zusätzliche Eingangs- bzw. Eingabegröße der lokalen linearen Modelle repräsentieren.
Dem Ermitteln des Sollwerts des Ventilsteuerparameters kann ein Schritt des Bereitstellens, insbesondere des Ermittelns, des Sollwerts des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders vorausgehen. Bevorzugt wird der Sollwert des Bewegungsparameters in Abhängigkeit von einer bereitgestellten Sollposition einer Arbeitseinheit der, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, ermittelt.
Eine Sollposition der Arbeitseinheit kann eine räumliche Relativposition der Arbeitseinheit relativ zu der die Arbeitseinheit umfassenden Arbeitsmaschine oder eine räumliche Position in einem externen Referenzkoordinatensystem, bspw. einem globalen Satellitennavigationssystem oder einem Referenzkoordinatensystem einer positionserfassenden Sensoreinheit sein. Die Sollposition eines Anbaugeräts ist bevorzugt eine räumliche Position des Tool Center Points (TCP) des Anbaugeräts. Die Sollposition der Arbeitseinheit bzw. des Anbaugeräts kann bspw. für einen mittels der Arbeitsmaschine auszuführenden Arbeitsschritt eines Arbeitsprozesses vorgegeben werden. Die Sollposition des Anbaugeräts kann auch eine räumliche Orientierung des Anbaugeräts, bspw. relativ zu der Maschinenhaupteinheit der Arbeitsmaschine, umfassen.
Das Ermitteln des Sollwerts des Bewegungsparameters in Abhängigkeit von der Sollposition der Arbeitseinheit kann mittels einer softwarebasierten Trajektorienplanung für die Arbeitseinheit bzw. das Anbaugerät bzw. für die Arbeitsmaschine erfolgen. Das Ermitteln des Sollwerts des Bewegungsparameters kann unter Berücksichtigung zumindest eines Teils einer Kinematik der Arbeitsmaschine erfolgen.
Das Bereitstellen des ermittelten (weiteren) Sollwerts kann das Ausgeben eines den ermittelten (weiteren) Sollwert repräsentierenden bzw. indizierenden oder umfassenden Signals umfassen. Basierend auf dem ausgegebenen Signal können unmittelbar oder mittelbar die Ventileinheit und/oder der hydraulische Zylinder betrieben, insbesondere gesteuert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht durch Produktionstoleranzen, Umwelteinflüsse und Alterungseffekte bedingte Veränderungen des Verhaltens von (teil-)automatisierten Arbeitsmaschinen im regulären Flottenbetrieb auf effiziente Weise maschinenindividuell zu kompensieren. Mit dem vorgeschlagenen Ansatz ist eine Online-Anpassung der zum Ermitteln des Sollwerts des Ventilsteuerparameters verwendeten Zuordnungsvorschrift möglich, welche auch auf Steuereinheiten mit geringen Speicher- und Rechenkapazitäten, bspw. auf einem eingebetteten System, durchgeführt werden kann. Dadurch kann die Performanz der Zuordnungsvorschrift, insbesondere der verwendeten Reglerstrukturen und damit die Genauigkeit beim Abfolgen einer vorgegebenen TCP-Trajektorie dauerhaft sichergestellt werden. Durch die Verwendung von lokalen linearen Modellen kann auch ein komplexes Systemverhalten der Arbeitsmaschine mit begrenzten Computing-Ressourcen effizient im laufenden Betrieb abgebildet und damit einer Regelstruktur eine aktuelle Abbildung des Systemverhalten bereitgestellt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die von der zum Ermitteln des Sollwerts des Ventilsteuerparameters verwendeten Zuordnungsvorschrift umfassten Submodelle basierend auf bei einem Betreiben des und/oder eines weiteren hydraulischen Zylinders der und/oder einer weiteren, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine erfassten Trainingsdaten trainiert wurden. Die weitere Arbeitsmaschine ist insbesondere eine von der Arbeitsmaschine verschiedene Referenzarbeitsmaschine.
Das Training erfolgt bevorzugt vor dem Betreiben des hydraulischen Zylinders bzw. der Arbeitsmaschine, bspw. während oder unmittelbar nach einer Produktionsphase der Arbeitsmaschine. Für das Training können die Trainingsdaten bspw. unter Verwendung eines dem Fachmann aus der DE 10 2021 214 049 A1 bekannten Verfahrens erzeugt und/oder unter Verwendung eines dem Fachmann aus der DE 10 2021 214 042 A1 bekannten Verfahrens reduziert werden. Das heißt, mit anderen Worten, für das Offline-Training werden speziell vorbereitete Trainingsdaten basierend auf einem repräsentativen Fahrzeug erzeugt, welche eine möglichst gute Abdeckung aller möglichen Betriebsbereiche erlauben (Design of Experiment). Dieses sogenannte Initialmodell dient als Basis für eine weitere Anpassung bspw. beim Kunden oder Endanwender, um die speziellen Eigenschaften bzw. Charakteristiken der jeweiligen Maschine online zu approximieren.
Durch diese Ausgestaltung wird ein Offline-Training vor der Inbetriebnahme des Zylinders bzw. der Arbeitsmaschine ermöglicht, wodurch das Anpassen der Submodelle gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren innerhalb definierter Grenzen eines offline-vordefinierten Bereichs erfolgen kann und dadurch Stabilitätsprobleme vermieden werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Verfahren einen Schritt des Auswählens des zumindest einen anzupassenden Submodells basierend auf den eingelesenen Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters, insbesondere mittels der Recheneinheit, umfasst. Denkbar ist, dass ein, mehrere oder alle von der Zuordnungsvorschrift umfassten Submodelle ausgewählt werden. Bevorzugt wird das zumindest eine anzupassende Submodell basierend auf dem eingelesenen Ist-Wert des Bewegungsparameters und unabhängig von dem Ist-Wert des entsprechenden Ventilsteuerparameters ausgewählt. Durch ein Anpassen lediglich ausgewählter Submodelle kann der Rechenaufwand des Verfahrens weiter reduziert werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Verfahren einen Schritt des Ermittelns eines Zugehörigkeitsparameters, insbesondere mittels der Recheneinheit, umfasst, welcher eine Zugehörigkeit des eingelesenen Ist-Werts des Bewegungsparameters zu den Submodellen der Zuordnungsvorschrift repräsentiert, um das zumindest eine anzupassende Submodell basierend auf dem ermittelten Zugehörigkeitsparameter auszuwählen. Der Zugehörigkeitsparameter basiert bevorzugt auf einem, bspw. mittels einer Gauß’schen Funktion gewichteten, Abstand des Ist-Werts des Bewegungsparameters zu einem Referenz-Wert für Ist-Werte des Bewegungsparameters, insbesondere einem Zentrum bezogen auf die Ist-Werte des Bewegungsparameters, des jeweils lokalen linearen Modells.
Gemäß einer Ausführungsform wird jede Dimension des Bewegungsparameters, bspw. eine Dimension der Zylindergeschwindigkeit und eine Dimension der Zylinderbeschleunigung, insbesondere mehrfach halbiert, um einen Wertebereich des Bewegungsparameters in jeweils Zusammenhänge Teilwertebereiche zu unterteilen und jedem der lokalen linearen Modelle einen der Teilwertebereiche zuzuordnen. Innerhalb jedem der Teilwertebereiche kann ein Zentrum, bspw. als geometrische Mitte, definiert werden, welches als Referenzpunkt bzw. Referenzwert zum Ermitteln des Zugehörigkeitsparameters für das jeweilige lokale lineare Modell dient.
Durch diese Ausgestaltung können das oder die auszuwählende(n) Submodell(e) numerisch besonders effizient berechnet werden, sodass das Verfahren auch auf eingebetteten System mit geringen Computing-Ressourcen in Echtzeit ausgeführt werden kann.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn im Schritt des Anpassens des zumindest einen Submodells ein oder mehrere Abbildungsparameter des Submodells angepasst werden, wobei eine Anzahl der Submodelle und/oder eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen beibehalten werden. Das heißt, mit anderen Worten, dass im Schritt des Anpassens die Anzahl der von der Zuordnungsvorschrift umfassten Submodelle und/oder die Zuordnung zwischen den Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen nicht verändert werden. Hierbei wird angenommen, dass ein Unterschied zwischen einem aktuellen Verhalten des Systems und einem nominalen Verhalten des Systems vorliegt (und damit das Anpassen des zumindest einen Submodells erforderlich ist), gleichzeitig jedoch der Unterschied derart begrenzt ist, dass eine erneute Ermittlung einer Anzahl der Submodelle und/oder einer Zuordnung zwischen den Wertebereichen des Bewegungsparameters und den lokalen linearen Modellen nicht durchgeführt werden muss. Durch diese Ausgestaltung kann das Verfahren mit besonders geringem Rechenaufwand ausgeführt werden.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn im Schritt des Anpassens des zumindest einen Submodells ein oder mehrere Abbildungsparameter des Submodells und ferner eine Anzahl der Submodelle und/oder eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen angepasst werden. Das heißt, mit anderen Worten, dass im Schritt des Anpassens zusätzlich die Anzahl der von der Zuordnungsvorschrift umfassten Submodelle und/oder die Zuordnung zwischen den Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen verändert werden. Denkbar ist, dass eine Anzahl der Submodelle erhöht oder verringert wird. Denkbar ist auch, dass alternativ oder zusätzlich eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und zumindest zwei der Submodelle verändert wird. Durch diese Ausgestaltung kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden.
Vorteilhaft ist es zudem, wenn das zumindest eine Submodell nur dann angepasst wird, wenn eine Abweichung zwischen dem ermittelten Soll-Wert des Bewegungsparameters und dem korrespondierenden Ist-Wert des Bewegungsparameters größer oder gleich einem Schwellenwert ist, und/oder kleiner oder gleich einem Maximalwert ist.
Der Schwellenwert und/oder der Maximalwert können ein vorgegebener oder vorgebbarer Wert sein. Denkbar ist, dass im Schritt des Anpassens zunächst die Abweichung zwischen dem ermittelten Soll-Wert des Bewegungsparameters und dem korrespondierenden Ist-Wert des Bewegungsparameters ermittelt und anschließend ein Vergleich mit dem Schwellenwert und/oder dem Maximalwert vorgenommen wird, um basierend auf dem Vergleich zu entscheiden, ob überhaupt eine Anpassung eines der Submodelle erforderlich ist. Für den Fall, dass ausgehend von dem Vergleich eine Anpassung erforderlich ist, kann das zumindest eine anzupassende Submodell, bspw. basierend auf dem zu ermittelnden Zugehörigkeitsparameter, ausgewählt werden. Durch diese Ausgestaltung erfolgt eine Anpassung des Submodells nur dann, wenn diese erforderlich ist, ohne dass drastische Abweichungen zwischen Ist- und Soll- Werten, insbesondere aufgrund eines Betreibens der Arbeitsmaschine außerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs, berücksichtigt würden. Somit wird eine Anpassung des Submodells dann vorgenommen, wenn eine Verbesserung des Reglers möglich ist, wobei Ist-Werte aus einem Extrem-Betrieb der Arbeitsmaschine unberücksichtigt bleiben.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn das zumindest eine angepasste Submodell in einem stationären Zustand des hydraulischen Zylinders zum Ermitteln des weiteren Sollwerts bereitgestellt wird. Der stationäre Zustand kann einen Stillstand oder eine Ruhephase des hydraulischen Zylinders, bspw. in einem stationären Zustand, insbesondere einem Stillstand oder einer Ruhephase, der Arbeitsmaschine repräsentieren. Hierbei kann das Anpassen des zumindest einen Submodells zeitlich vor, bspw. bei einer Bewegung des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine, oder in dem stationären Zustand erfolgen. Bspw. kann ein Ermitteln von ein oder mehreren angepassten Abbildungsparameter der lokalen linearen Modelle kontinuierlich erfolgen, das angepasste Submodell jedoch erst zum Ermitteln des weiteren Sollwerts bereitgestellt werden, wenn sich der hydraulische Zylinder und/oder die Arbeitsmaschine in einem stationären Zustand befinden. Alternativ kann das zumindest eine angepasste Submodell, insbesondere unmittelbar nach dem Schritt des Anpassens, unabhängig von einem Zustand des hydraulischen Zylinders und/oder der Arbeitsmaschine zum Ermitteln des weiteren Sollwerts bereitgestellt werden. Durch diese Ausgestaltung kann ein Online-Update der Zuordnungsvorschrift mittels Anpassung ein oder mehrerer der lokalen linearen Modelle vom einem Betriebszustand des Hydraulikzylinders und/oder der Arbeitsmaschine abhängig gemacht werden.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn das Verfahren einen Schritt des Ausgebens eines Signals in Abhängigkeit des ermittelten Sollwerts und/oder des ermittelten weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters an die Ventileinheit, insbesondere mittels der Recheneinheit, aufweist, um ansprechend auf das ausgegebene Signal die Ventileinheit zu steuern, und insbesondere mittels Steuern der Ventileinheit den hydraulischen Zylinder zu betreiben bzw. zu bewegen. Mittels Betreiben des hydraulischen Zylinders kann wiederum die Arbeitseinheit, insbesondere das Anbaugerät, der, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine betrieben werden. Das ausgegebene Signal kann ein drahtgebunden oder drahtlos von der Recheneinheit, mittelbar oder unmittelbar, an die Ventileinheit übertragenes Signal sein.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Steuereinheit zum
Betreiben einer Arbeitseinheit einer Arbeitsmaschine; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines
Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder einer Arbeitsmaschine zugeordneten Ventileinheit.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuereinheit 10 zum Betreiben einer mittels eines hydraulischen Zylinders 26 betreibbaren Arbeitseinheit einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine. Die Arbeitsmaschine umfasst die Arbeitseinheit, den hydraulischen Zylinder 26, eine dem hydraulischen Zylinder 26 zugeordnete Ventileinheit 24 und die Steuereinheit 10. Hierbei wird die Arbeitseinheit mittels des hydraulischen Zylinders betrieben, insbesondere relativ zu einer Maschinenhaupteinheit der Arbeitsmaschine bewegt.
Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise ein Bagger sein, der eine als einen Arbeitsarm ausgebildete Arbeitseinheit umfasst. Der Arbeitsarm weist einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel sowie einen Auslegerzylinder, einen Stielzylinder und einen Löffelzylinder auf. Jedem der Zylinder ist eine entsprechende Ventileinheit zum Bewegen des Zylinders zugeordnet.
Die Steuereinheit 10 ist eingerichtet, eine Sollposition rR der Arbeitseinheit zu empfangen. Hierbei kann die Sollposition rR ferner eine Angabe bezüglich einer räumlichen Orientierung der Arbeitseinheit umfassen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 10 eingerichtet sein, räumliche Soll-Koordinaten eines Tool Center Points (TCP) des Löffels des Baggers sowie ein Winkel des Löffels relativ zu einer vorgegebenen Bezugsrichtung zu empfangen.
Die Sollposition rR kann Teil einer Soll-Trajektorie der Arbeitseinheit sein. Denkbar ist, dass die Soll-Trajektorie von einem Bediener der Arbeitsmaschine und/oder mittels einer Recheneinheit 12 zur Generierung einer Soll-Trajektorie für die Arbeitsmaschine ermittelt und der Steuereinheit 10 bereitgestellt wird.
Bevorzugt wird die Sollposition rR der Arbeitseinheit einem Posen-Modul 14 der Steuereinheit 10 bereitgestellt. Das Posen-Modul 14 ist bevorzugt als Teil eines Kaskadenreglers ausgebildet und eingerichtet, die Sollposition rR der Arbeitseinheit und ferner die Istposition r der Arbeitseinheit von einer die Istposition r der Arbeitseinheit erfassenden Sensoreinheit 28 zu empfangen. Weiter ist das Posen-Modul 14 eingerichtet, basierend auf einer Abweichung von Sollposition rR und Istposition r der Arbeitseinheit eine Sollgeschwindigkeit rR der Arbeitseinheit zu ermitteln, mittels welcher die Istposition r in die Sollposition rR übergeführt werden kann. Bspw. wird mittels des Posen-Moduls 14 die Sollposition rR des TCP und die Istposition r des TCP empfangen und anhand der Abweichung eine Sollgeschwindigkeit rR des TCP berechnet. Das Posen- Modul 14 kann auch eingerichtet sein, basierend auf der Abweichung von Sollposition rR und Istposition r der Arbeitseinheit bzw. der ermittelten Sollgeschwindigkeit rR eine Sollbeschleunigung rR der Arbeitseinheit zu ermitteln.
Die Steuereinheit 10 umfasst ein Differentielle-Inverse-Kinematik-Modul 16, das eingerichtet ist, basierend auf der Sollgeschwindigkeit rR der Arbeitseinheit einen Sollwert sR eines Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders 26 zu ermitteln. Das Ermitteln des Sollwerts sR des Bewegungsparameters erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung einer Kinematik der Arbeitseinheit der Arbeitsmaschine, insbesondere durch Lösen des inversen kinematischen Problems für die Arbeitsmaschine. Bspw. wird basierend auf der Sollgeschwindigkeit rR des TCP des Baggers je eine Sollgeschwindigkeit sR für den Auslegerzylinder, den Stielzylinder und den Löffelzylinder berechnet. Beispielsweise kann der Sollwert sR des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders 26 eine Sollgeschwindigkeit sR des hydraulischen Zylinders 26 sein. Denkbar ist, dass das Inverse-Kinematik-Modul 16 auch eingerichtet ist, alternativ oder zusätzlich eine Sollbeschleunigung sR des hydraulischen Zylinders 26 als Sollwert eines, insbesondere weiteren bzw. zusätzlichen Bewegungsparameters zu ermitteln.
Die Steuereinheit 10 ist auch eingerichtet, mittels eines Geschwindigkeit- Moduls 18 einen Sollwert u eines Ventilsteuerparameters der Ventileinheit 24 in Abhängigkeit von dem Sollwert sR des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders 26 zu ermitteln.
Das Geschwindigkeits-Modul 18 ist bevorzugt als Geschwindigkeitsregler 18 ausgebildet und eingerichtet, den Sollwert sR des Bewegungsparameters und den Istwert sR des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders 26, bevorzugt ferner auch den Sollwert sR des weiteren Bewegungsparameters zu empfangen. Weiter ist das Geschwindigkeits-Modul 18 eingerichtet, basierend auf einer Abweichung zwischen dem Sollwert sR und dem Istwert s des Bewegungsparameters den Sollwert u des Ventilsteuerparameters zu ermitteln.
Bevorzugt ist das Geschwindigkeitsmodul 18 eingerichtet, zusätzlich ein oder mehrere der folgenden Einflussgrößen beim Ermitteln des Sollwert u des Ventilsteuerparameters zu berücksichtigen:
Istwert s und/oder Sollwert sR einer Beschleunigung des hydraulischen Zylinders 26 und/oder eines oder mehrerer weiterer derselben Ventileinheit 24 zugeordneten hydraulischen Zylinder,
Istwert eines Drucks an einer Zylinderstange des hydraulischen Zylinders 26,
Istwert eines Drucks an einem Zylinderkopf des hydraulischen Zylinders 26, Differenz pcyi zwischen Istwert des Drucks an der Zylinderstange und Istwert des Drucks am Zylinderkopf 26, Istwert eines Lastdrucks der Arbeitseinheit,
Istwert eines Pumpendrucks einer dem hydraulischen Zylinder 26 zugeordneten Pumpeneinheit zur Druckbeaufschlagung einer den hydraulischen Zylinder 26 bewegenden Hydraulikflüssigkeit, Differenz An™. zwischen Istwert des Lastdrucks und Istwert des Pumpendrucks,
Istwert einer Temperatur der Umgebung und/oder eines Motorenöls in einem Ölkreislauf der Arbeitsmaschine.
Das Geschwindigkeitsmodul 18 umfasst bevorzugt einen PI-Regler mit einer Vorsteuerung 18a (feedforward control). Dadurch kann auch bei komplexem und nichtlinearem Verhalten der PI-Regler dahingehend entlastet werden, dass dessen Rückführung 18b (feedback control) nur Störungen und Modellfehler berücksichtigen muss.
Die Vorsteuerung 18a repräsentiert ein inverses Verhalten der Arbeitseinheit betreffend den Zusammenhang zwischen Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders 26 und Ventilsteuerparameter der jeweiligen Ventileinheit 24. Das heißt, mit anderen Worten, die Vorsteuerung 18a ermittelt einen Wert u des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders 26 basierend auf einem vorgegebenen Wert
Figure imgf000022_0001
des Ventilsteuerparameters. Hierbei erfolgt die Vorsteuerung 18a unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift, welche zumindest zwei als lokale lineare Modelle ausgebildete Submodelle umfasst. Zumindest eines der von der Zuordnungsvorschrift umfassten lokalen linearen Modelle wird gemäß dem anhand von Fig. 2 beschriebenen Verfahren beim Betreiben des hydraulischen Zylinders 26 bzw. der Arbeitsmaschine angepasst.
Für den Bagger mit Auslegerzylinder, Stielzylinder und Löffelzylinder umfasst die Steuereinheit 10 je ein als PI-Regler ausgebildetes Geschwindigkeitsmodul 18 zum Ermitteln je eines Sollwerts u des Ventilsteuerparameters für die dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Ventileinheit. Hierbei umfasst jeder der PI- Regler jeweils eine eigene Vorsteuerung 18a.
Der Sollwert u des Ventilsteuerparameters wird als Stellgröße des Geschwindigkeitsmoduls 18 ausgegeben. Hierbei ist der Sollwert u des Ventilsteuerparameters insbesondere eine Summe von einer Ausgabegröße uFB der Rückführung 18b und einer Ausgabegröße uFF der Vorsteuerung 18a. Die Steuereinheit 10 ist weiter eingerichtet, den ermittelten Sollwert u des Ventilsteuerparameters an das System 20 auszugeben. Das System 20 umfasst ein Steuermodul 22, die Ventileinheit 24 und den hydraulischen Zylinder 26. Das System 20 repräsentiert eine Regelstrecke des Geschwindigkeitsreglers 18.
Das Steuermodul 22 ist eingerichtet, die Ventileinheit 24 basierend auf dem von der Steuereinheit 10 ausgegebenen Signal zu betreiben. Die Ventileinheit 24 ist ausgebildet, ansprechend auf das an das Steuermodul 22 ausgegebene Signal einen Durchfluss einer Hydraulikflüssigkeit durch die Ventileinheit 24 einzustellen, um den hydraulischen Zylinder 26 zu bewegen. Das heißt, mit anderen Worten, mittels Ausgebens des Signals an die Ventileinheit 24 in Abhängigkeit von dem ermittelten Sollwert u des Ventilsteuerparameters wird der hydraulische Zylinder 26 betrieben und damit die Arbeitseinheit bewegt.
Ein oder mehrere der an der Arbeitsmaschine angeordneten Sensoren 28 sind ausgebildet, die Istposition r der Arbeitseinheit, eine Istposition bzw. Iststellung s des hydraulischen Zylinders 26, sowie bevorzugt die oben aufgeführten Einflussgrößen, insbesondere s s, pcyh psys zu messen. Hierbei sind den Sensoren 28 bevorzugt geeignete modellbasierte Filter 30 zugeordnet.
Die modellbasierten Filter 30 sind eingerichtet, die Istposition r der Arbeitseinheit an das Posen-Modul 14 und an Inverse-Kinematik-Modul 16 auszugeben, die Istposition bzw. Iststellung s des hydraulischen Zylinders 26 an das Inverse- Kinematik-Modul 16 auszugeben, sowie bevorzugt die oben aufgeführten Einflussgrößen, insbesondere s s, pcyh psys an das Geschwindigkeits-Modul 18 auszugeben.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine zugeordneten Ventileinheit. Das Verfahren ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 versehen.
Bevorzugt wird das Verfahren 100 bei einem Betrieb der Arbeitsmaschine ausgeführt, bspw. bei einem Bearbeiten und/oder Behandeln einer landwirtschaftlichen und/oder forstwirtschaftlichen und/oder bauwirtschaftlichen Fläche und/oder bei einem Transportieren einer Last.
Das Verfahren 100 wird bevorzugt mittels einer Steuereinheit der Arbeitsmaschine ausgeführt. Hierzu umfasst die Steuereinheit einen Prozessor, ein Speichermedium mit einem Computerprogramm, sowie mindestens eine Kommunikationsschnittstelle. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bei der Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass die Steuereinheit das nachfolgend beschriebene Verfahren 100 ausführt.
Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 110 des Ermittelns eines Sollwerts u eines Ventilsteuerparameters einer dem hydraulischen Zylinder zugeordneten Ventileinheit in Abhängigkeit von einem Sollwert sR,sR eines Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift, um den ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders bereitzustellen. Hierbei umfasst die Zuordnungsvorschrift zumindest zwei als lokale lineare Modelle LLM1 , LLM2 ausgebildete Submodelle LLM1 , LLM2. Hierbei wird zum Ermitteln des Soll- Werts u des Ventilsteuerparameters eine gewichtete Summe aus den Ausgabegrößen u1,u2 der lokalen linearen Modelle LLM1 , LLM2 ermittelt, wobei eine Gewichtungsfunktion O(sR,sR ) zum Ermitteln der gewichteten Summe bei m lokalen linearen Modellen von dem Soll-Wert des Bewegungsparameters sR,sR abhängt:
Figure imgf000024_0001
Das heißt, mit anderen Worten, während der Inferenz werden Prädiktionen mit allen m lokalen linearen Modellen durchgeführt, wobei durch einen gewichteten Mittelwert von allen Prädiktionen der lokalen Modelle die Prädiktion des Gesamtmodells festgelegt wird. Zusätzlich oder alternativ zu dem Sollwert sR,sR des Bewegungsparameter können ein oder mehrere weitere Parameterwerte, bspw. ausgewählt aus den vorstehend beschriebenen Einflussgrößen berücksichtigt werden.
Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 120 des Ausgebens eines Signals in Abhängigkeit des ermittelten Sollwerts des Ventilsteuerparameters an die Ventileinheit, um ansprechend auf das ausgegebene Signal die Ventileinheit zu steuern und damit den hydraulischen Zylinder basierend auf dem ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zu betreiben. Beim Betreiben des hydraulischen Zylinders werden Ist-Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters erfasst.
Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 130 des Einlesens der bei dem Betreiben des hydraulischen Zylinders erfassten Ist-Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters.
Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 140 des Anpassens zumindest eines der Submodelle der Zuordnungsvorschrift in Abhängigkeit der eingelesenen Ist- Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters.
Der Schritt 140 des Anpassens umfasst einen Schritt 142 des Ermittelns eines Zugehörigkeitsparameters ij, welcher eine Zugehörigkeit des eingelesenen Ist- Werts des Bewegungsparameters zu den Submodellen LLMt der Zuordnungsvorschrift repräsentiert. Der Zugehörigkeitsparameter ij kann bspw. als ein Abstand zu einem Zentrum des jeweiligen lokalen linearen Modells LLMt ermittelt werden:
Figure imgf000025_0001
Hierbei bezeichnet m wiederum die Anzahl der von der Zuordnungsvorschrift insgesamt umfassen lokalen linearen Modelle. Als eine die Zugehörigkeit repräsentierende Zugehörigkeitsfunktion 9 sR,sR) kann bspw. eine Gauß- Funktion verwendet werden.
Der Schritt 140 des Anpassens umfasst weiter einen Schritt 144 des Auswählens des zumindest einen anzupassenden Submodells basierend auf den eingelesenen Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters, insbesondere basierend auf dem ermittelten Zugehörigkeitsparameter, optional unter Berücksichtigung ein oder mehrerer weiterer Parameter, bspw. ausgewählt aus den vorstehend beschriebenen Einflussgrößen. Bevorzugt werden dasjenige oder diejenigen Submodelle als anzupassende Submodelle ausgewählt, für welche der Zugehörigkeitsparameter Hi einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert E überschreitet.
Das Schritt 140 des Anpassens umfasst ferner einen Schritt 146 des Anpassens ein oder mehrerer Abbildungsparameter des zumindest einen anzupassenden Submodells. Das Anpassen der Abbildungsparameter kann bspw. unter Verwendung einer dem Fachmann bekannten Methode der kleinsten Quadrate, bspw. mittels eines Recursive-Least-Squares-Algorithmus, erfolgen.
Hierbei wird eine Anzahl der Submodelle sowie eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und den lokalen Modellen beibehalten. Ein Modelltyp der Submodelle, die Anzahl der Submodelle sowie die Zuordnung zwischen den Wertebereichen des Bewegungsparameters und den lokalen Modellen bzw. die Gewichtung der Ausgabegrößen der lokalen linearen Modelle wird bevorzugt im Rahmen eines Offline-Trainings festgelegt oder ermittelt.
Für das Offline-Training können speziell vorbereitete Trainingsdatensätze auf einer repräsentativen Arbeitsmaschine erzeugt werden, welche eine möglichst gute Abdeckung aller möglichen Betriebsbereiche erlauben (Design of Experiment). Dadurch kann die Zuordnungsvorschrift mit den basierend auf diesen Trainingsdatensätzen trainierten lokalen linearen Modellen als initiale Zuordnungsvorschrift für den Schritt 110 bereitgestellt werden. Das heißt, mit anderen Worten, die initiale Zuordnungsvorschrift kann somit als Basis für eine weitere Anpassung bei einem Kunden oder Endanwender der Arbeitsmaschine dienen, sodass spezielle Eigenschaften bzw. Charakteristiken der jeweiligen Maschine, insbesondere bedingt durch Produktionstoleranzen, Umwelteinflüsse und Alterungseffekte, online approximiert werden können.
Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 150 des Ermittelns eines weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters in Abhängigkeit von einem weiteren Sollwert des Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders unter Verwendung der Zuordnungsvorschrift mit dem oder den angepassten Submodell(en), um den ermittelten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders bereitzustellen. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 160 des Ausgebens eines weiteren Signals in Abhängigkeit des ermittelten weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters an die Ventileinheit, um ansprechend auf das ausgegebene weitere Signal die Ventileinheit zu steuern und damit den hydraulischen Zylinder basierend auf dem ermittelten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zu betreiben. Wiederum werden beim Betreiben des hydraulischen Zylinders Ist-Werte des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters erfasst.
Bevorzugt wird das Verfahren in Schritt 130 fortgesetzt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren (100) zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder (26) einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, zugeordneten Ventileinheit (24), mit folgenden Schritten:
- Ermitteln (110) eines Sollwerts des Ventilsteuerparameters der Ventileinheit (24) in Abhängigkeit von einem Sollwert eines Bewegungsparameter des hydraulischen Zylinders (26) unter Verwendung einer Zuordnungsvorschrift, welche zumindest zwei als lokale lineare Modelle ausgebildete Submodelle umfasst, um den ermittelten Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) bereitzustellen;
- Einlesen (130) von bei dem Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) erfassten Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters;
- Anpassen (140) zumindest eines der Submodelle in Abhängigkeit der eingelesenen Ist-Werte; und
- Ermitteln (150) eines weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters in Abhängigkeit von einem weiteren Sollwert des Bewegungsparameters des hydraulischen Zylinders (26) unter Verwendung der Zuordnungsvorschrift mit dem oder den angepassten Submodell(en) mittels einer Recheneinheit (10), um den ermittelten weiteren Sollwert des Ventilsteuerparameters zum Betreiben des hydraulischen Zylinders (26) bereitzustellen.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von der zum Ermitteln (110) des Sollwerts des Ventilsteuerparameters verwendeten Zuordnungsvorschrift umfassten Submodelle basierend auf bei einem Betreiben des und/oder eines weiteren hydraulischen Zylinders (26) der und/oder einer weiteren, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine erfassten Trainingsdaten trainiert wurden.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schritt des Auswählens (144) des zumindest einen anzupassenden Submodells basierend auf den eingelesenen Ist-Werten des Bewegungsparameters und des Ventilsteuerparameters.
4. Verfahren (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Schritt des Ermittelns (142) eines Zugehörigkeitsparameters, weicher eine Zugehörigkeit des eingelesenen Ist-Werts des Bewegungsparameters zu den Submodellen der Zuordnungsvorschrift repräsentiert, um das zumindest eine anzupassende Submodell basierend auf dem ermittelten Zugehörigkeitsparameter auszuwählen.
5. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anpassens (140) des zumindest einen Submodells ein oder mehrere Abbildungsparameter des Submodells angepasst werden, wobei
- eine Anzahl der Submodelle und/oder
- eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen beibehalten werden.
6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Anpassens (140) des zumindest einen Submodells ein oder mehrere Abbildungsparameter des Submodells und ferner
- eine Anzahl der Submodelle und/oder
- eine Zuordnung zwischen Wertebereichen des Bewegungsparameters und den Submodellen angepasst werden.
7. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Submodell nur dann angepasst wird, wenn eine Abweichung zwischen dem ermittelten Soll-Wert des Bewegungsparameters und dem korrespondierenden Ist-Wert des Bewegungsparameters
- größer oder gleich einem Schwellenwert ist, und/oder
- kleiner oder gleich einem Maximalwert ist.
8. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine angepasste Submodell in einem stationären Zustand des hydraulischen Zylinders (26) zum Ermitteln des weiteren Sollwerts bereitgestellt wird.
9. Verfahren (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Ausgebens (120, 160) eines Signals in Abhängigkeit des ermittelten Sollwerts und/oder des ermittelten weiteren Sollwerts des Ventilsteuerparameters an die Ventileinheit (24), um ansprechend auf das ausgegebene Signal die Ventileinheit (24) zu steuern.
10. Recheneinheit (10), insbesondere Steuereinheit (10), zum Bereitstellen eines Ventilsteuerparameters einer einem hydraulischen Zylinder (26) einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine, zugeordneten Ventileinheit (24), wobei die Recheneinheit (10) eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen und/oder zu steuern.
11 . System mit einem hydraulischen Zylinder, einer dem hydraulischen Zylinder (26) zugeordneten Ventileinheit (24) und der Recheneinheit (10) nach Anspruch 10.
12. Arbeitsmaschine, insbesondere mobile Arbeitsmaschine, mit einem System nach Anspruch 11 .
13. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer oder eine Steuereinheit (10) diesen bzw. diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen und/oder zu steuern.
14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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