Schlauchmodellierung und Zustandsschätzung bei pneumatischen Antrieben

In der Automatisierungstechnik sind pneumatische Antriebe aufgrund ihrer geringen Kosten und der hohen Robustheit weit verbreitet. Das Bewegungsverhalten des Antriebs, zum Beispiel Verfahrzeit und Endgeschwindigkeit, wird über mechanisch einstellbare Drosseln und Dämpfungssysteme realisiert. Für wandelbare Fertigungsanlagen und geringe Losgrößen, wie sie im Kontext von Industrie 4.0 diskutiert werden, sind standardpneumatische Antriebe aufgrund fehlender Flexibilität und elektronischer Schnittstellen nur eingeschränkt geeignet.
Mit einer programmierbaren Servoventilinsel - bestehend aus Proportionalventilen, integrierten Sensoren und Prozessoreinheit - kann das Bewegungsverhalten des Antriebs durch elektronische Ansteuerung des Ventils vorgegeben werden. Durch die Ventilinselstruktur sind die Schläuche zu den Antrieben lang und beeinflussen deren Bewegungsverhalten. Wegen des Druckverlusts und der Luftschwingungen im Schlauch spiegeln die ventilinternen Sensoren nicht die benötigten Messgrößen am Antrieb wieder. Das Verhalten der Luft im Schlauch ist damit nicht vernachlässigbar.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung von standardpneumatischen Antrieben zu mechatronischen Systemen. Mechanische Funktionen sollen durch Software ersetzt und Bewegungsparameter elektronisch vorgegeben werden. Ein wichtiger Aspekt ist die Berücksichtigung der Luftdynamik im Schlauch. Dafür wird ein pneumatisches Schlauchmodell entwickelt, das die niederfrequente Dynamik abbildet, turbulente Strömung berücksichtigt und eine geringe Ordnung hat. Auf Basis dieses Modells und der ventilinternen Sensorik werden antriebsnahe Größen wie Kammerdruck oder Kolbenposition geschätzt und damit ein neuer Betriebsmodus für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen pneumatischer Antriebe entwickelt.