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Expertensystem Servohydraulik

Der Entwurf servohydraulischer Linearantriebe stellt aufgrund ihrer Komplexität eine Herausforderung insbesondere für auf diesem Gebiet unerfahrene Ingenieure dar. Selbst innerhalb der Anbieterfirmen von geregelten hydraulischen Antrieben und Systemlösungen variiert der regelungs- und anwendungstechnische Wissens- und Erfahrungsstand der einzelnen Mitarbeiter in Vertrieb, Entwicklung und Projektierung deutlich. Die Qualität einer Lösung bzw. der Aufwand zu ihrer Fertigstellung zur Zufriedenheit des Kunden ist daher stark vom jeweiligen Bearbeiter abhängig. Zusätzliche Iterationsschleifen an verschiedenen Stellen des Problemlösungsprozesses bis hin zu Nachbesserungen an der Anlage vor Ort können die Folge sein. Erschwert wird der Vorgang oft durch fehlende, unpräzise oder unrealistische Vorstellungen und Vorgaben des Kunden.

Um einen gegebenen Mangel an Fachwissen und Erfahrung zu kompensieren, sollte im Rahmen des Projektes ein interaktives System entwickelt werden, welches den Anwender während des gesamten Auslegungsprozesses begleitet und ihn bei der Entscheidungsfindung unterstützt. Besonderer Schwerpunkt lag hierbei auf der Auswahl einer geeigneten Reglerstruktur für die jeweilige Antriebsaufgabe. Großes Interesse besteht darüber hinaus an der Optimierung der anfänglichen Phase der Projektklärung und -spezifikation. Da das vorliegende Problem viele Unsicherheiten, einen großen Anteil an heuristischem Wissen und einen hohen Komplexitätsgrad beinhaltet, ist eine wissensbasierte Lösung am besten geeignet, die Aufgabenstellung zu erfüllen. Vorhandene Hilfsmittel und bisherige wissensbasierte Ansätze zur hydraulischen Entwurfsunterstützung decken jeweils nur einen Teilbereich des Projektzyklus ab und sind deshalb unzureichend.

Es wurde ein softwaretechnisches Rahmenwerk eines Expertensystems entworfen, das alle erforderlichen Funktionalitäten zur Verfügung stellt, um eine wissensbasierte Auslegung technischer Systeme durchzuführen. Dafür wurden zunächst geeignete Entwicklungswerkzeuge gesucht, bewertet und ausgewählt. Eine geeignete Systematik zur Repräsentation des hydraulischen Expertenwissens in den Kategorien strukturellen, analytischen und heuristischen Wissens wurde aufgestellt.

Repräsentation von hydraulischem Fachwissen
Bild 1: Repräsentation von hydraulischem Fachwissen

Auf dieser Basis wurde servohydraulisches Auslegungswissen gesammelt und in einer Standard-Wissensbasis formal festgehalten. Die Wissensakquisition stützte sich dabei neben Fachliteratur und Expertenbefragungen auf eine Verifikation in Simulation und Experiment. Hinsichtlich der Erstellung der Wissensbasis, derer sich das Expertensystem bedient, wurde der Regelung des Linearantriebs besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Hierzu fanden umfangreiche Untersuchungen existierender Regelungskonzepte auf ihre Eignung für die gegebenen fluidtechnischen Anwendungen statt. Mit Hilfe von dynamischen nichtlinearen Simulationen sowie Prüfstandsversuchen wurden die Reglerstrukturen bewertet und Richtlinien für ihren Einsatz in bestimmten Antriebsaufgaben aufgestellt. Dazu wurde ein Simulationsmodell der hydraulischen Regelstrecke in DSHplus aufgebaut, welches in eine übergeordnete Regelung in Matlab/Simulink eingebettet ist. Das Streckenmodell ist gegen die Steuerung eines zu diesem Zwecke modifizierten realen Linearachsenprüfstands austauschbar, so dass unterschiedliche Regelungskonzepte sowohl experimentell als auch in Simulationen untersucht werden konnten. Um die Eignung bewerten und vergleichen zu können, wurden verschiedene Gütekriterien analysiert und ein Optimierungsskript entwickelt, das die automatische Regleroptimierung auf ein bestimmtes Gütekriterium hin erlaubt.

Ansätze zur Regelung hydraulischer Linearantriebe
Bild 2: Ansätze zur Regelung hydraulischer Linearantriebe

Mit dem Expertensystem Hydraulic Drive Design Assistant (HyDDAs) in Verbindung mit der aufgebauten Standard-Wissensbasis wurde ein softwaretechnisches Unterstützungswerkzeug geschaffen, das zur Lösung geläufiger Antriebsproblemstellungen einsetzbar ist. HyDDAs ist eingebunden in ein umfassenderes Rahmenwerk, welches nicht nur Mittel zur Bereitstellung und Verarbeitung, sondern auch zur Erfassung und Erklärung des hydraulischen Wissens beinhaltet. Konkret gehören hierzu die Abbildung des strukturellen Aufbaus servohydraulischer Systeme in Form einer Ontologie sowie die Definition und Klassifikation von Benutzerabfragen mit Hilfe des frei erhältlichen Ontologie-Editors Protégé sowie die Erstellung und Modifikation von Auslegungsroutinen und -regeln mittels des eigens dafür entwickelten grafischen Konstrukteditors GraCE. Innerhalb des eigentlichen Unterstützungswerkzeugs HyDDAs werden auf dieser Basis Lösungen erarbeitet, indem die in der Wissensbasis hinterlegten Auslegungsregeln auf die eingegebenen Spezifikations-, Struktur- und Komponentendaten angewendet werden. Im Kern dieses Problemlösungsprozesses steht die Expertensystem-Shell CLIPS, die in das Hauptprogramm eingebettet wurde. Zum Zweck der Eingabe, Nachverfolgung und Lösungsausgabe wurde weiterhin eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt.

Rahmenwerk des Expertensystems HyDDAs (Hydraulic Drive Design Assistant)
Bild 3: Rahmenwerk des Expertensystems HyDDAs (Hydraulic Drive Design Assistant)

Ein Prototyp des servohydraulischen Expertensystems wurde erstellt, der genutzt wurde, um anhand der beispielhaften Auslegung eines fiktiven Prüfstands die Funktion und Bedienung des Systems zu demonstrieren. Das resultierende Assistenzsystem gibt dem Projekteur ein flexibles und verständliches Werkzeug an die Hand und trägt auf diese Weise dazu bei, den Prozess des servohydraulischen Antriebsentwurfs für darin unerfahrene Anwender zugänglicher und verlässlicher zu machen, und damit einen Wettbewerbsnachteil der Servohydraulik gegenüber der elektrischen Antriebstechnik zu beseitigen.

Screenshot der entwickelten Software mit Arbeitszykluseditor
Bild 4: Screenshot der entwickelten Software mit Arbeitszykluseditor

Die beschriebenen Arbeiten entstanden im Rahmen des Forschungsvorhabens „Entwicklung eines interaktiven Auslegungssystems zur rechnerunterstützten Konfiguration und Auslegung geregelter hydraulischer Antriebe“, das aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert wurde (IGF-Nr. 14798 N).

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