Nach Abschluss der Motion Control Tuning-Schulung können Sie innerhalb von Minuten eine optimale Motion Control-Leistung erzielen

Veröffentlicht am: 28 November 2019

Autor:

René Raaijmakers

Technischer Redakteur, Autor, Geschäftsführer

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Experte:

Prof.dr.ir. Tom Oomen

Trainer

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Akademiker, die Experten in der Steuerungstheorie sind, haben oft Schwierigkeiten, einen Controller für die industrielle Praxis zu entwerfen. Andererseits fehlt vielen Mechatronikern, die mit der Steuerungstechnik in Berührung kommen, die theoretische Grundlage, um ihre Systeme auf optimale Leistung zu bringen. Das Motion Control Tuning Training bietet eine Lösung für beide Zielgruppen. „Wenn Sie es einmal durchgearbeitet haben, können Sie selbst in wenigen Minuten ein perfektes Steuerungssystem entwerfen“, sagt Kursleiter Tom Oomen.

Wie stellt man sicher, dass ein Sondenmikroskop eine Probe mit seiner Nanonadel richtig abtastet? Wie kann eine Bestückungsmaschine Teile blitzschnell auf einer Leiterplatte anbringen und dabei noch höchste Präzision erreichen? Wie kann ein Litho-Scanner Chip-Muster mit hoher Geschwindigkeit und genau an der richtigen Stelle auf einen Silizium-Wafer projizieren? Es dreht sich alles um Steuerungstechnik, um Bewegungssteuerung.

Dieses Wissen liegt in der DNA der Brainport Region. Die Bewegungssteuerung ist das Herzstück von Präzision und hoher Leistung. Der Erfolg der niederländischen High-Tech-Industrie ist zum Teil auf das Wissen über Steuerungstechnik zurückzuführen, das rund um die Stadt Eindhoven in den Niederlanden aufgebaut wurde.

Die technologischen Entwicklungen in den Philips Abteilungen Natlab und Centrum voor Fabricagetechnologie (CFT) haben in den achtziger und neunziger Jahren einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung des Bereichs Steuerungstechnik geleistet. Doch immer wieder gab es eine Hürde zu überwinden. Als die Ingenieure in den Produktabteilungen begannen, damit zu arbeiten, war es nicht so einfach, die entwickelte Technologie und die theoretischen Prinzipien in industrielle Systeme umzusetzen.

Die Studenten arbeiten mit einem sehr einfachen Zwei-Massen-Feder-Dämpfer-System.

Schulungskurse Advanced Motion Control und Advanced Feedforward & Learning Control

Deshalb erkannte Philips in den 1990er Jahren, dass es sein Wissen effektiv weitergeben musste. Dies führte zu einer Kursstruktur mit einem sehr praktischen Ansatz. Die kurzen Trainingskurse von mindestens drei Tagen sind intensiv, aber wenn die Teilnehmer an ihren Arbeitsplatz zurückkehren, können sie das Wissen sofort anwenden.

Motion Control Tuning (MCT) war einer der ersten Steuerungskurse, der in den 1990er Jahren von Maarten Steinbuch, heute Professor an der Technischen Universität Eindhoven, bei Philips CFT eingerichtet wurde. Heute entwickelt und pflegt die Mechatronics Academy die MCT-Ausbildung und vermarktet sie in Zusammenarbeit mit dem High Tech Institute, zusammen mit dem Fortgeschrittene Bewegungskontrolle und Advanced Feedforward & Learning Control Kursen.

MCT-Trainer Tom Oomen

Tom Oomen, außerordentlicher Professor in Steinbuchs Abteilung Control Systems Technology an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Eindhoven, ist eine der treibenden Kräfte hinter diesen drei Kursen. „Das Gebiet entwickelt sich rasant“, sagt Oomen, „das bedeutet viel Theorie, aber die Basis, zum Beispiel wie man einen PID-Regler programmiert, ist gleich geblieben.“

Die Schulung Motion Control Tuning (MCT) bietet Ingenieuren eine solide Grundlage. Bei den Teilnehmern handelt es sich oft um Entwickler mit gründlichen Kenntnissen der Steuerungstheorie, die ihr Wissen in der Praxis anwenden wollen, aber auf praktische Hindernisse stoßen. Das Erstaunliche ist, dass bei jeder Ausgabe immer eine Reihe internationaler Teilnehmer dabei ist. Das sagt viel darüber aus, wie die Welt das niederländische Fachwissen in diesem Bereich einschätzt.

Studenten, die eine Ausbildung im Bereich der Bewegungssteuerung absolvieren, lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen. Die erste sind Menschen mit unzureichendem technischem Hintergrund in der Steuerungstechnik, die jedoch täglich mit Steuerungstechnik zu tun haben. Sie wollen die Grundlagen lernen, um besser mit ihren Kollegen kommunizieren zu können. „Diese Leute entwerfen zwar Steuerungen, verstehen aber die Technik dahinter nicht. Sie erstellen Modelle für einen Controller, ohne genau zu wissen, was ein Controller leisten kann. Das führt zu Kommunikationsproblemen zwischen Systemdesignern und Steuerungsingenieuren“, sagt Oomen.

Regelungsingenieure entwerfen traditionell einen guten Regler anhand von Bildern, den sogenannten Bode- und Nyquist-Diagrammen. „Für erfahrene Steuerungsingenieure sind diese Diagramme ein Kinderspiel, aber wenn Sie nie gelernt haben, diese Zahlen zu lesen, ist es immer noch Abrakadabra. Dann können Sie an den Knöpfen drehen, wie Sie wollen, aber Sie werden nie einen guten Controller entwerfen“, sagt Oomen.

Motion Control Tuning bietet zwanzig Trainer

Gert Witvoet von TNO ist der Meinung, dass man Menschen mit unzureichenden theoretischen Kenntnissen am besten das Wesen des Berufs beibringt, indem man sie einmal ganz durch die Materie zieht. Witvoet, der auch als Teilzeit-Assistenzprofessor an der Technischen Universität Eindhoven tätig ist, ist einer der zwanzig Ausbilder und Betreuer, die an der MCT-Ausbildung beteiligt sind. „Sie müssen lernen, wie man solche Diagramme liest. Sie müssen genau verstehen, was sie bedeuten. Bei dieser Schulung lernen Sie wirklich, wie Steuerungsingenieure in der Industrie Steuerungen entwerfen und was die Möglichkeiten und Grenzen der Rückkopplung sind“, sagt Witvoet.

Die andere Zielgruppe besteht aus Ingenieuren, die theoretisch vorbereitet sind. Sie sind in theoretischer Steuerungstechnik ausgebildet und verfügen über einen guten Hintergrund, einschließlich der Kenntnisse der zugrunde liegenden Mathematik. Die meisten von ihnen sind internationale Teilnehmer, die eigens für die Motion Control-Schulung in die Niederlande kommen. „Diese Leute sind von der akademischen Welt in die Industrie gewechselt, haben aber oft noch nie einen Controller für ein industrielles System entworfen. Sie sind nicht in der Lage, mit modernen Werkzeugen eine gute Leistung zu erzielen, und es fehlt ihnen oft die Fähigkeit, klassische PID-Regler abzustimmen“, sagt Oomen. Witvoet: „In unserem Kurs lernen sie die echte Industriepraxis kennen: wie man ein Bewegungssystem handhabt und Schritt für Schritt zu einem guten Entwurf kommt.“

Tom Oomen sagt, dass er mit einer ‚theoretischen Brille‘ schaut. Witvoet ist eher der Anwendungstyp. Beide finden es cool, Ingenieuren beizubringen, wie sie das Wissen aus der Spitzenforschung in die Praxis übertragen können.

Die akademische Welt und die Industrie arbeiten auf sehr unterschiedliche Weise, obwohl ihr Ausgangspunkt derselbe ist: ein Modell. Forscher und Ingenieure wählen jedoch jeweils einen anderen Ansatz. Akademiker verwenden oft physikalische Modelle mit zugrundeliegender Mathematik, Differentialgleichungen und dergleichen. In der Praxis arbeiten Ingenieure jedoch mit so genannten nicht-parametrischen Modellen wie Frequenzgangfunktionen. „Das ist etwas ganz anderes als das, womit wir in der wissenschaftlichen Welt arbeiten, und wir werden in der Ausbildung damit arbeiten“, sagt Oomen.

Tom Oomen.

MCT-Schulung Teil eins ist Feedback-Design

Studenten, die sich mit Bewegungssteuerung beschäftigen, beginnen am ersten Tag mit Frequenzgangfunktionen. Sie sind schnell und einfach zu beschaffen und ein Mittel, um das Ziel zu erreichen: den Entwurf eines Feedback-Controllers. Sie messen die Eigenschaften und Merkmale eines bestehenden mechatronischen Systems. „Aus diesen Messungen ergibt sich eine Frequenzgangfunktion, die zeigt, wie sich die Maschine verhält“, sagt Oomen. „Dann entsteht ein Modell, mit dem Sie einen Controller für dieses System entwerfen können.“

Im Gegensatz zu diesen schnell zu beschaffenden und hochpräzisen Frequenzgangmodellen erstellen viele Techniken aus dem akademischen Bereich ein parametrisches Modell. Dafür benötigen sie detaillierte Informationen über Massen, Federn, Steifigkeit, Dämpfer und so weiter. In der Praxis ist dies viel zu zeitaufwändig. Es ist schwierig, alle Parameter genau zu kennen.

Aber wenn Sie ein bestehendes System haben, ist ein Frequenzgang eine gute Alternative. „Sie geben ein geeignetes Signal vor und messen einfach, wie das System reagiert“, sagt Witvoet. „Auf diese Weise erhalten Sie in nur wenigen Minuten eine super gute Frequenzgangfunktion des Eingangs-Ausgangs-Verhaltens, mit der Sie einen guten Controller entwerfen können. Wenn Sie dann noch wissen, wie man so etwas abstimmt, können Sie innerhalb weniger Minuten Schritt für Schritt den besten Controller für Ihr System entwickeln.“

MCT-Schüler verwenden ein einfaches, praktisches System

Die Schüler fangen mit einem sehr einfachen Zwei-Massen-Feder-Dämpfer-System an. Eine Masse ist direkt mit dem Motor verbunden, die zweite Masse (die Last) ist mit der ersten Masse verbunden. Das System verfügt über Positionssensoren sowohl am Motor als auch an der Last. Die Herausforderung besteht darin, einen Controller zu entwickeln, der die zweite Masse präzise steuert. Das ist nicht einfach, denn die Welle ist drehbar.

Oomen: „In der Praxis messen die Systeme immer die Last. Sehen Sie sich nur einen Drucker an. Irgendwo gibt es einen Motor, der den Schlitten über einen Antriebsriemen bewegt. Da Sie genau wissen wollen, wo sich die Tinte auf dem Papier befindet, messen Sie die Position des Wagens. Wenn Sie am Motor messen, wissen Sie das nie genau, weil die Übertragung zwischen Motor und Druckkopf flexibel ist.“

Gert Witvoet.

Selbst erfahrene Forscher in der Steuerungstechnik haben manchmal Schwierigkeiten, die hartnäckige Praxis zu verstehen. Ihrer Erfahrung nach lässt sich alles im Detail modellieren, auch die Übertragung zwischen Motor und Last. Bei Besuchen in internationalen Spitzengruppen zeigt Oomen den Theoretikern regelmäßig den Versuchsaufbau aus dem Motion Control Tuning Training. „Ich frage sie dann, ob es einen Unterschied macht, wo ich messe, am Motor oder an der Last. Ausgehend von theoretischen Konzepten wie Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit, antworten sie in der Regel, dass es keinen Unterschied macht“.

Im MCT-Kurs zeigen die Trainer jedoch, dass es entscheidend ist, wo Sie messen. „Wenn Sie über den Motor messen, dann ist der Himmel in Bezug auf die Leistung die Grenze. Alles ist möglich. Störungen können bis zu einer beliebigen Frequenz unterdrückt werden. Wenn Sie aber – wie immer in der Praxis – über der Last messen, dann sind Sie sehr eingeschränkt, weil Sie mit unvorhersehbarem Verhalten aufgrund flexibler Teile umgehen müssen. Dann gibt es erhebliche Einschränkungen für Regelkreise und die Leistung, die Sie tatsächlich erreichen können. Wenn Sie unter diesen Bedingungen einen stabilisierenden Regler bauen wollen, müssen Sie sehr vorsichtig sein. Es ist leicht, ein instabiles Verhalten zu erreichen. Wenn Sie genau wissen wollen, wie das ist, müssen Sie zu dem Kurs kommen“, lacht Oomen.

Henry Nyquist und Hendrik Bode

Um einem Motion Controller Stabilität zu verleihen, sind klassische Konzepte erforderlich. Diese wurden von Henry Nyquist und Hendrik Bode entwickelt. Oomen: „Nyquist hat bereits in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts Prinzipien entwickelt, um die Stabilität eines solchen Regelkreises zu gewährleisten. Ich habe kürzlich ein Buch aus dem Jahr 1947 gelesen, in dem er dies beschrieben hat. Wir verwenden dies immer noch täglich, in Kombination mit diesen Frequenzgangfunktionen. Beide sind eng miteinander verwoben. Auf diese Weise garantieren wir die Stabilität von Regelkreisen.“

Erwähnen Sie den Namen Nyquist, und Sie sprechen auch über Fourier- und Laplace-Transformationen. Es mag kompliziert klingen, aber die Arbeit mit Mathematik in der Praxis erfordert kein tiefes Verständnis. „Wir erklären diese Konzepte auf eine sehr intuitive Art und Weise, die für jeden zugänglich ist“, sagt Oomen. „Die Rolle dieser Konzepte bei der Entwicklung von Steuerungen bildet die Grundlage und wird von Steuerungsingenieuren bei ihrer Arbeit ohnehin angetroffen. Wir halten es für wichtig, dass die Leute sie wirklich kennen, aber es ist wirklich nicht nötig, dafür tief in die Mathematik einzusteigen.“

Nach den grundlegenden Konzepten macht das Training den Schritt zur Stabilität. Witvoet: „Sie lernen, mit einem Bild, einem Nyquist-Diagramm, eine gute Grundlage zu legen. Damit können die Studenten die Stabilität ihres Systems testen. Die ganze Mystik ist dann weg, denn sie wissen, was darunter liegt und wie man es benutzt. Die Studenten sind dann in der Lage, an den Reglern zu drehen und zu prüfen, ob der geschlossene Regelkreis stabil ist.“

Dann folgt der Schritt zum eigentlichen Entwurf. Die erste Anforderung an einen solchen Entwurf mag die Stabilität sein, aber letztendlich geht es um die Leistung. Um dies zu erreichen, erhalten die Studenten eine breite Palette von Werkzeugen zur Bewegungssteuerung wie Notch-, Lead- und Lag-Filter und PID-Controller. „Das alles gehört zum Werkzeugkasten des Ingenieurs und bildet den Auftakt zu einem der beliebtesten Nachmittage des Kurses – dem Spiel zur Gestaltung von Schleifen. Bei diesem Spiel müssen die Studenten den Controller so gut wie möglich einstellen und die Leistung herausquetschen. Wenn sie das schaffen, haben sie die Funktionsweise eines Feedback-Controllers gemeistert.“

MCT-Training Teil zwei: Entwurf von Vorwärtssteuerungen

Neben dem Feedback-Controller für Stabilität und Störungsunterdrückung verfügt jedes Bewegungssystem auch über einen Feedforward-Controller. Dieser sagt dem System, wie es seinem Weg von a nach b folgen soll. Dies wird auch als Referenzverfolgung bezeichnet. „Das steuern Sie mit dem Feedforward-Controller“, sagt Oomen. „Der wichtigste Teil der Leistung des Systems kommt von der Vorwärtssteuerung. Auch hier gehen wir kurz auf die Theorie ein und fangen dann sofort an zu experimentieren. Es ist ein sehr systematischer und intuitiver Ansatz. Wenn Sie es einmal gemacht haben, können Sie es sofort anwenden.“

Indem sie es tatsächlich anwenden, lernen die Teilnehmer der MCT-Schulung, wie Dinge wie Mass Feedforward und Capture Feedforward funktionieren. „Es ist ein sehr systematischer Ansatz, der es Ihnen ermöglicht, die Parameter einen nach dem anderen optimal abzustimmen“, sagt Oomen. „Wenn Sie diese Technik beherrschen, können Sie den besten Feedforward-Controller für Ihr System in nur wenigen Minuten durch iterative Experimente einstellen.

Wenn Sie wissen, wie man eine Frequenzgangfunktion misst und eine Rückkopplungs- und Vorwärtssteuerung entwirft, können Sie sehr schnell Regler entwerfen. Oomen: „Zeit ist natürlich Geld, und deshalb arbeitet die gesamte niederländische High-Tech-Industrie auf diese Weise. Sie finden es in Venlo bei Canon Printing Systems und in Best bei Philips Healthcare. Auch die kleineren Mechatronikunternehmen nutzen diese Techniken. Bei ASML in Veldhoven werden fast alle Bewegungssteuerungen in Wafer-Scannern auf diese Weise abgestimmt. Wenn Sie ein wenig Erfahrung haben, können Sie fast die optimale Leistung aus dem System herausholen. Das geht innerhalb weniger Minuten und das ist natürlich cool.“

MCT-Training ist 100 Prozent Praxis

Auf die Frage nach dem Verhältnis zwischen Theorie und Praxis sagt Oomen lachend, dass die MCT-Ausbildung „100 Prozent Praxis“ ist. „All die Theorie, die wir vermitteln, ist für die Praxis unerlässlich“, fügt Witvoet hinzu. „Wir erklären eine Reihe von theoretischen Konzepten, aber wir tun dies anhand einer Anwendung. Es dreht sich alles um die Abstimmung. Es ist wirklich ein Designkurs und man lernt nach und nach etwas Theorie. Jeden Nachmittag arbeiten wir an diesem System, erstellen Frequenzgangfunktionen und nehmen dann die Feinabstimmung vor. Feedforward, Feedback, das ist ein täglicher Job, bei dem man sich die Hände schmutzig macht und die Füße in den Dreck steckt, weil man die Theorie sofort anwendet.“

Nach fünf Tagen werden die Teilnehmer in der Lage sein, selbständig einen Feedback- und Feedforward-Controller zu entwickeln. Am letzten Tag diskutieren verschiedene Trainer und Experten die Entwicklungen auf ihrem Fachgebiet.

Oomen: „In den fünf Tagen gelingt es den Teilnehmern, Steuerungen mit einem Eingang und einem Ausgang zu bauen, aber viele industrielle Systeme haben mehrere Ein- und Ausgänge. Das scheint Folgen für die Abstimmung zu haben.“ Witvoet: „Wir zeigen, wo die Gefahren liegen. Wann etwas schief gehen kann und wie man damit umgeht.“

Um Steuersysteme für mehrere Eingänge und Ausgänge zu entwerfen, benötigen Ingenieure für Bewegungssteuerung eine solidere theoretische Grundlage. Dieses Wissen über multivariable Systeme wird in der fünftägigen Schulung Advanced Motion Control behandelt. „In diesem Kurs lernen die Teilnehmer sehr detailliert, wie man Steuerungssysteme mit mehreren Eingängen und Ausgängen erstellt“, sagt Oomen. „Wir folgen der gleichen Philosophie und Argumentation wie in der Schulung Motion Control Tuning“.

Am letzten Tag wird auch das Lernen aus Daten besprochen, ein Trend, der im Bereich der Kontrolle derzeit stark zunimmt. „Die neuesten Generationen von Kontrollsystemen können aus vergangenen Fehlern lernen und sie gleichzeitig korrigieren“, sagt Oomen. „Dabei nutzen wir große Mengen von Daten, die von Sensoren in Maschinen erzeugt werden. So können wir Maschinenfehler innerhalb weniger Iterationen korrigieren. Dies ebnet den Weg für neue, revolutionäre Maschinenkonstruktionen, die leichter, genauer, preiswerter und vielseitiger sind, aber auch die Aufrüstung bestehender Maschinen auf diese Weise ermöglichen. Am letzten Tag der MCT werde ich Ihnen eine Stunde lang davon erzählen, aber im Kurs Advanced Feedforward Control werden wir uns drei Tage Zeit dafür nehmen.“

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von High-Tech Systeme.