Na afronding van de training Motion Control Tuning kunt u binnen enkele minuten optimale prestaties van uw motion control bereiken.

Gepubliceerd op: 28 november 2019

Auteur:

René Raaijmakers

Technisch schrijver, auteur, algemeen directeur

Lees meer over René Raaijmakers

Expert:

Prof.dr.ir. Tom Oomen

Trainer

Lees meer over Tom Oomen

Deel

---

Academici die experts zijn in besturingstheorie hebben vaak moeite met het ontwerpen van een besturing voor de industriële praktijk. Aan de andere kant missen veel mechatronici die in aanraking komen met regeltechniek de theoretische basis om hun systemen optimaal te laten presteren. De training Motion Control Tuning biedt een oplossing voor beide doelgroepen. “Als je het helemaal hebt doorlopen, kun je zelf in een paar minuten een perfect besturingssysteem ontwerpen”, zegt cursusleider Tom Oomen.

Hoe zorg je ervoor dat een tastmicroscoop een monster op de juiste manier scant met zijn nanodiale naald? Hoe kan een pick-and-place machine razendsnel onderdelen op een printplaat plaatsen en toch supernauwkeurig zijn? Hoe kan een lithoscanner chippatronen met hoge snelheid en precies op de juiste positie op een siliciumwafer projecteren? Het draait allemaal om besturingstechniek, om bewegingsbesturing.

Het is deze kennis die in het DNA van de Brainport-regio zit. Motion control is de kern van nauwkeurigheid en hoge prestaties. Het succes van de Nederlandse hightech is deels te danken aan de kennis van besturingstechnologie die is opgebouwd rond de stad Eindhoven in Nederland.

Technologische ontwikkelingen bij de Philips divisies Natlab en Centrum voor Fabricagetechnologie (CFT) hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van de regeltechniek in de jaren tachtig en negentig. Keer op keer moest er echter een horde worden genomen. Toen ingenieurs in de productdivisies ermee gingen werken, was het niet zo eenvoudig om de ontwikkelde technologie en theoretische principes om te zetten in industriële systemen.

Leerlingen werken met een heel eenvoudig systeem met twee gasveren en dempers.

Cursussen Advanced Motion Control en Advanced Feedforward & Learning Control

Daarom realiseerde Philips zich in de jaren negentig dat het zijn kennis effectief moest overdragen. Dit resulteerde in een cursusstructuur met een zeer praktische aanpak. De korte trainingen van minimaal drie dagen zijn intensief, maar wanneer deelnemers weer aan het werk gaan, kunnen ze de kennis meteen toepassen.

Motion Control Tuning (MCT) was een van de eerste besturingsopleidingen die in de jaren negentig bij Philips CFT werd opgezet door Maarten Steinbuch, tegenwoordig hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. Tegenwoordig ontwikkelt en onderhoudt Mechatronics Academy de MCT-opleiding en brengt deze op de markt in samenwerking met High Tech Institute, samen met de Geavanceerde Bewegingsbesturing en Advanced Feedforward & Learning Control opleidingen.

MCT-trainer Tom Oomen

Tom Oomen, universitair hoofddocent bij Steinbuchs sectie Control Systems Technology van de faculteit Werktuigbouwkunde van de Technische Universiteit Eindhoven, is een van de drijvende krachten achter deze drie cursussen. “Het vakgebied ontwikkelt zich snel,” zegt Oomen, “wat betekent dat er veel theorie bij komt kijken, maar de basis, bijvoorbeeld hoe je een PID-regelaar programmeert, is hetzelfde gebleven.”

De training Motion Control Tuning (MCT) biedt engineers een solide basis. Deelnemers zijn vaak ontwikkelaars met een gedegen kennis van besturingstheorie die hun kennis in de praktijk willen toepassen maar tegen praktische obstakels aanlopen. Het verrassende is dat aan elke editie altijd een aantal internationale deelnemers meedoen. Het zegt veel over hoe de wereld aankijkt tegen de Nederlandse expertise op dit gebied.

Studenten van opleidingen in motion control kunnen grofweg in twee groepen worden verdeeld. De eerste zijn mensen met onvoldoende technische achtergrond in besturingstechniek, die wel dagelijks met besturingstechniek te maken hebben. Zij willen de basis leren om beter met hun collega’s te kunnen communiceren. “Deze mensen ontwerpen wel besturingen, maar begrijpen de achterliggende technieken niet. Ze maken modellen voor een regelaar, zonder precies te weten wat een regelaar kan. Dit veroorzaakt communicatieproblemen tussen systeemontwerpers en regeltechnici,” zegt Oomen.

Regeltechnici ontwerpen traditioneel een goede regelaar op basis van plaatjes, de zogenaamde Bode- en Nyquist-diagrammen. “Voor doorgewinterde regeltechnici zijn die diagrammen een fluitje van een cent, maar als je nooit hebt geleerd om die figuren te lezen, blijft het abracadabra. Dan kun je aan de knoppen draaien zoals je wilt, maar je zult nooit een goede regelaar ontwerpen”, zegt Oomen.

Motion Control Tuning beschikt over twintig trainers

De beste manier om mensen met onvoldoende theoretische achtergrond de essentie van het vak bij te brengen, is volgens Gert Witvoet van TNO door ze er een keer helemaal doorheen te slepen. Witvoet, die ook deeltijd assistent-hoogleraar is aan de Technische Universiteit Eindhoven, is een van de twintig trainers en begeleiders die betrokken zijn bij de MCT-training. “Ze moeten leren hoe ze zulke diagrammen moeten lezen. Ze moeten precies begrijpen wat ze betekenen. Met deze training leer je echt hoe regeltechnici in de industrie besturingen ontwerpen en wat de mogelijkheden en beperkingen van terugkoppeling zijn,” zegt Witvoet.

De andere doelgroep bestaat uit ingenieurs die theoretisch zijn voorbereid. Zij zijn opgeleid in theoretische besturingstechnologie en hebben een goede achtergrond, inclusief kennis van de onderliggende wiskunde. De meeste van hen zijn internationale deelnemers, die speciaal naar Nederland komen voor de motion control training. “Deze mensen zijn van de academische wereld naar de industrie gegaan, maar hebben vaak nog nooit een controller voor een industrieel systeem ontworpen. Ze zijn niet in staat om een goede prestatie te leveren met moderne tools, en de vaardigheid om klassieke PID-regelaars te tunen ontbreekt vaak,” zegt Oomen. Witvoet: “In onze cursus leren ze de echte industriepraktijk: hoe ga je om met een bewegingssysteem en kom je stap voor stap tot een goed ontwerp.”

Tom Oomen zegt dat hij met een ’theoretische bril’ kijkt. Witvoet is meer de applicatieman. Beiden vinden het gaaf om ingenieurs te leren hoe ze de kennis uit geavanceerd onderzoek kunnen toepassen in de praktijk.

De academische wereld en de industrie werken op heel verschillende manieren, hoewel hun uitgangspunt hetzelfde is: een model. Onderzoekers en ingenieurs kiezen echter elk voor een andere aanpak. Academici gebruiken vaak fysische modellen inclusief onderliggende wiskunde, differentiaalvergelijkingen en dergelijke. Maar in de praktijk werken ingenieurs met zogenaamde niet-parametrische modellen zoals frequentieresponsfuncties. “Dat is heel anders dan waar we in de wetenschappelijke wereld mee werken en daar gaan we in de opleiding ook mee werken”, zegt Oomen.

Tom Oomen.

MCT training deel één is feedbackontwerp

Studenten Motion Control tuning gaan op de eerste dag aan de slag met frequentieresponsfuncties. Ze zijn snel en eenvoudig te verkrijgen en zijn een middel om het doel te bereiken: het ontwerpen van een terugkoppelingsregelaar. Ze meten de eigenschappen en karakteristieken van een bestaand mechatronisch systeem. “Uit deze metingen volgt een frequentieresponsfunctie, die laat zien hoe de machine zich gedraagt”, zegt Oomen. “Vervolgens rolt er een model uit, waarmee je een regelaar voor dat systeem kunt ontwerpen.”

In tegenstelling tot deze snel verkregen en zeer nauwkeurige frequentieresponsmodellen, bouwen veel technieken uit de academische wereld een parametrisch model. Daarvoor hebben ze gedetailleerde informatie nodig over massa’s, veren, stijfheid, dempers enzovoort. In de praktijk is dit veel te tijdrovend. Het is moeilijk om alle parameters precies te kennen.

Maar als je een bestaand systeem hebt, is een frequentierespons een goed alternatief. “Je biedt een geschikt signaal aan en meet simpelweg hoe het systeem reageert,” zegt Witvoet. “Zo krijg je in een paar minuten een supergoede frequentieresponsfunctie van het input-output gedrag, waarmee je een goede regelaar kunt ontwerpen. Als je dan ook nog weet hoe je zo’n ding moet tunen, kun je stap voor stap binnen een paar minuten de beste regelaar voor je systeem maken.”

Studenten in de MCT-training gebruiken een eenvoudig, praktisch systeem

Leerlingen gaan aan de slag met een heel eenvoudig systeem met twee massa’s en veren. Eén massa is direct verbonden met de motor, de tweede massa (de belasting) is verbonden met de eerste massa. Het systeem heeft positiesensoren bij zowel de motor als de last. De uitdaging is om een regelaar te ontwerpen die de tweede massa nauwkeurig regelt. Dat is niet eenvoudig, omdat de as torsiegevoelig is.

Oomen: “In de praktijk meten systemen altijd de belasting. Kijk maar naar een printer. Ergens zit een motor die via een aandrijfriem de slede beweegt. Omdat je precies wilt weten waar de inkt op het papier komt, meet je de positie van de slede. Als je aan de motor meet, weet je het nooit zeker, omdat de overbrenging tussen de motor en de printkop flexibel is.”

Gert Witvoet.

Zelfs doorgewinterde onderzoekers in de regeltechniek hebben soms moeite om de hardnekkige praktijk te begrijpen. Hun ervaring is dat alles tot in detail gemodelleerd kan worden, inclusief de overbrenging tussen motor en belasting. Tijdens bezoeken aan internationale topgroepen laat Oomen regelmatig de experimentele opstelling uit de training motion control tuning zien aan theoretici. “Ik vraag ze dan of het verschil maakt waar ik meet, bij de motor of bij de belasting. Uitgaande van theoretische concepten als regelbaarheid en waarneembaarheid antwoorden ze meestal dat het niet uitmaakt.”

In de MCT-cursus laten de trainers echter zien dat het essentieel is waar je meet. “Als je boven de motor meet, dan is de sky the limit qua prestaties. Alles is mogelijk. Storingen kunnen tot elke frequentie worden onderdrukt. Maar als je – zoals altijd in de praktijk – over de belasting meet, dan ben je zeer beperkt, omdat je te maken hebt met onvoorspelbaar gedrag door flexibele onderdelen. Dan zijn er aanzienlijke beperkingen voor regelkringen en de prestaties die je feitelijk kunt bereiken. Als je onder deze omstandigheden een stabiliserende regelaar wilt maken, moet je heel voorzichtig zijn. Het is gemakkelijk om instabiel gedrag te krijgen. Als je precies wilt weten hoe dat zit, moet je naar de cursus komen,” lacht Oomen.

Henry Nyquist en Hendrik Bode

Om een motion controller stabiliteit te geven, zijn klassieke concepten nodig. Deze zijn bedacht door Henry Nyquist en Hendrik Bode. Oomen: “In de eerste helft van de vorige eeuw bedacht Nyquist al principes om de stabiliteit van zo’n regelkring te garanderen. Ik las laatst een boek uit 1947 waarin hij dit beschreef. We gebruiken dit nog dagelijks, in combinatie met die frequentieresponsfuncties. Beide zijn diep met elkaar verweven. Op deze manier garanderen we de stabiliteit van regelkringen.”

Noem de naam Nyquist en je hebt het ook over Fourier- en Laplace-transformaties. Het klinkt misschien ingewikkeld, maar voor het werken met wiskunde in de praktijk is geen diep begrip nodig. “We leggen deze concepten uit op een zeer intuïtieve manier die voor iedereen toegankelijk is,” zegt Oomen. “De rol van deze concepten in het ontwerp van besturingen vormt de basis en wordt hoe dan ook door regeltechnici in hun werk aangetroffen. We vinden het belangrijk dat mensen het echt weten, maar het is echt niet nodig om daarvoor diep in de wiskunde te duiken.”

Na de basisbegrippen maakt de training de stap naar stabiliteit. Witvoet: “Ze leren een goede basis te leggen met een plaatje, een Nyquist diagram. Hiermee kunnen studenten de stabiliteit van hun systeem testen. Alle mystiek is dan weg, want ze weten wat er onder zit en hoe ze het moeten gebruiken. Studenten kunnen dan aan de knoppen draaien en controleren of de gesloten regelkring stabiel is.”

Daarna volgt de stap naar een daadwerkelijk ontwerp. De eerste vereiste van zo’n ontwerp kan stabiliteit zijn, maar uiteindelijk gaat het om prestaties. Om dit te bereiken krijgen de studenten een breed scala aan hulpmiddelen voor bewegingsbesturing, zoals notch-, lead- en lagfilters en PID-regelaars. “Het zit allemaal in de gereedschapskist van de ingenieur en het is de opmaat voor een van de meest gewaardeerde middagen van de cursus – het loop-shaping spel. In dit spel moeten studenten de controller zo goed mogelijk afstellen en de prestaties eruit persen. Als dat lukt, hebben ze de werking van een feedbackcontroller onder de knie.”

MCT-training deel twee is feedforward regelaarontwerp

Naast de terugkoppelingscontroller voor stabiliteit en storingsonderdrukking heeft elk bewegingssysteem ook een feedforward controller. Deze vertelt het systeem hoe het zijn pad moet volgen van a naar b. Dit wordt ook wel referentie volgen genoemd. “Dat regel je met de feedforward controller,” zegt Oomen. “Het belangrijkste deel van de prestaties van het systeem komt van de feedforward regeling. Ook hier gaan we kort in op de theorie en daarna meteen aan het experimenteren. Het is een heel systematische en intuïtieve aanpak. Als je het eenmaal gedaan hebt, kun je het meteen toepassen.”

Door het daadwerkelijk toe te passen, leren deelnemers aan de MCT-training hoe zaken als mass feedforward en capture feedforward werken. “Het is een heel systematische aanpak waarmee je de parameters één voor één optimaal kunt afstemmen”, zegt Oomen. “Als je die techniek onder de knie hebt, kun je in een paar minuten de beste feedforward-regelaar voor je systeem afstemmen door iteratieve experimenten uit te voeren.

Als je eenmaal weet hoe je een frequentieresponsfunctie moet meten en een feedback- en feedforwardregeling moet ontwerpen, kun je heel snel regelaars ontwerpen. Oomen: “Tijd is natuurlijk geld en daarom doet de hele Nederlandse hightechindustrie het op deze manier. Je vindt het in Venlo bij Canon Printing Systems en in Best bij Philips Healthcare. Ook de kleinere mechatronische bedrijven gebruiken deze technieken. Bij ASML in Veldhoven zijn bijna alle motion controllers in waferscanners op deze manier afgesteld. Als je een beetje ervaring hebt, kun je bijna de optimale prestaties uit het systeem halen. Dat kan binnen een paar minuten en dat is natuurlijk gaaf.”

MCT-training is 100 procent praktijk

Gevraagd naar de relatie tussen theorie en praktijk zegt Oomen lachend dat de MCT-opleiding “100 procent praktijk” is. “Alle theorie die we doen is essentieel voor de praktijk,” voegt Witvoet toe. “We leggen een aantal theoretische concepten uit, maar dat doen we aan de hand van een toepassing. Het draait allemaal om afstemming. Het is echt een ontwerpcursus en gaandeweg leer je wat theorie. Elke middag werken we aan dat systeem, maken we frequentieresponsfuncties en dan fine tuning. Feedforward, feedback, het is dagelijks werk om je handen vuil te maken en met je voeten in de modder te staan, want je past de theorie meteen toe.”

Na vijf dagen zijn de deelnemers in staat om zelfstandig een feedback- en feedforwardregelaar te ontwikkelen. Op de laatste dag bespreken verschillende trainers en experts de ontwikkelingen binnen hun vakgebied.

Oomen: “Binnen de vijf dagen lukt het de deelnemers om regelaars te maken met één ingang en één uitgang, maar veel industriële systemen hebben meerdere in- en uitgangen. Dat blijkt consequenties te hebben voor de afstemming.” Witvoet: “We laten zien waar de gevaren liggen. Wanneer het fout kan gaan en als het fout gaat, hoe je daarmee om kunt gaan.”

Om regelsystemen voor meerdere in- en uitgangen te ontwerpen, hebben ingenieurs in motion control een sterkere theoretische basis nodig. Deze kennis van multivariabele systemen komt aan bod in de vijfdaagse training Advanced Motion Control. “In deze cursus leren deelnemers tot in detail hoe ze regelsystemen met meerdere in- en uitgangen moeten maken”, zegt Oomen, “We volgen dezelfde filosofie en redenering als in de Motion Control Tuning training”.

Op de laatste dag komt ook het leren van gegevens aan bod, een trend die momenteel snel groeit binnen de besturingswereld. “De nieuwste generaties besturingssystemen kunnen leren van fouten uit het verleden en deze tegelijkertijd corrigeren”, zegt Oomen. “Daarbij maken we gebruik van grote hoeveelheden gegevens die door sensoren in machines worden geproduceerd. Hierdoor kunnen we machinefouten binnen een paar iteraties corrigeren. Dit maakt de weg vrij voor nieuwe revolutionaire machineontwerpen die lichter, nauwkeuriger, goedkoper en veelzijdiger zijn, maar waarmee ook bestaande machines op deze manier kunnen worden geüpgraded. Op de laatste dag van MCT vertel ik er een uurtje over, maar in de training Advanced Feedforward Control doen we er drie dagen over.”

Dit artikel is geschreven door René Raaijmakers, tech editor van High-Tech Systemen.