DE10060285A1 - Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein hydraulisches System - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein hydraulisches SystemInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein hydraulisches System vorgeschlagen, bei dem die Istwerte im hydraulischen System durch Sensoren (2) erfasst werden und insbesondere der Druck (p) der Hydraulikflüssigkeit im hydraulischen System geregelt wird. Das wirksame Systemvolumen der Hydraulikflüssigkeit im abgeschlossenen Volumen der Druckregelstrecke wird aus den gemessenen Werten berechnet und aus dem berechneten Systemvolumen werden Systemparameter zur Parametrierung der Regelanordnung hergeleitet. Das wirksame Systemvolumen kann aus den gemessenen Werten mittels der Bestimmung der hydraulischen Kapazität (C¶H¶) der Regelstrecke während des Betriebs der Regelstrecke fortdauern oder in Intervallen bestimmt werden. Die Systemparameter zur Parametrierung der Regelanordnung können auch zur Ermittlung eines Umschaltzeitpunktes (UZ) für die Umschaltung von einer Geschwindigkeitsregelung oder -steuerung zu einer Druck- oder Kraftregelung in der Regelanordnung herangezogen werden.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer
Regelanordnung und eine solche Regelanordnung für ein
hydraulisches System nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits aus der DE 198 28 752 A1 eine solche
Regelanordnung bekannt, bei der insbesondere der Druck
und andere Größen in einer hydraulischen Vorrichtung,
hier ein Verstellorgan für eine Zylinder, gemessen und
durch Vorgaben der Regelanordnung beeinflusst werden.
Diese Beeinflussung erfolgt in an sich bekannter Weise
mit einem der hydraulischen Vorrichtung vorgeschalteten
stetig verstellbarem Regelventil, dessen Ventilschieber
beispielsweise elektromagnetisch verstellt wird. Bekannt
sind hieraus außerdem elektrohydraulische Druckregelkrei
se mit einer stetig verstellbaren Pumpe als Stellglied.
Die zuvor genannten Ventile oder Pumpen können dabei mit
einer sogenannten Feldbusankopplung sowie mit digital
ausgeführten Reglern wie z. B. einem digitalen Druckregler
ausgestattet sein. Diese digitale Anbindung und Signalbe
einflussung im Regelkreis bietet gegenüber den analogen
Ventilen neue Möglichkeiten hinsichtlich der Diagnosefä
higkeit, der Benutzerfreundlichkeit sowie eine qualitativ
bessere Regelgüte und die Möglichkeit neuer flexibler
Konzepte, die auf spezielle Eigenschaften im System aus
gelegt werden können.
Bekannt sind aus dem eingangs genannten Stand der Technik
außerdem ablösende Regelanordnungen für hydraulische Zy
linderantriebe, bei denen zwei Regelungen wie z. B.
Geschwindigkeits- und Druckregelung kombiniert werden
können. Das Problem bei diesen Regelungen liegt in der
Erkennung des Übergangs zwischen den einzelnen Regelungs
arten. Beispielsweise kann hier eine Umschaltung des
Drucksollwertes in Abhängigkeit von vorgegebenen Schwell
werten oder z. B. auch in Abhängigkeit einer Zylinderposi
tion des Stellzylinders erfolgen.
Voraussetzung für die oben genannten Möglichkeiten von
flexiblen Regelungskonzepten mit digitalen Reglern, die
auf spezielle Eigenschaften im System ausgelegt werden
können, sind jedoch in der Regel Methoden der Identifika
tion der spezifischen Charakteristika des Regelkreises,
die es ermöglichen, dass auswertbare Veränderungen im
hydraulischen Regelkreis auch erkannt werden können.
Beispiele hierfür sind aus dem Fachaufsatz "Vergleich von
Regelungskonzepten für eine elektrohydraulisch druckge
regelte Verstellpumpe" in der Zeitschrift "Ölhydraulik
und Pneumatik", 36 (1992) Nr. 9, Seiten 602-613, zu entneh
men. Hier ist z. B. beschrieben, wie aus dem Pumpenstell
weg und dem Systemdruck eine Verbrauchercharakteristik im
Regelkreis identifiziert werden kann.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein
hydraulisches System, bei dem die Istwerte im Hydrauli
schen System durch Sensoren erfasst werden und insbeson
dere der Druck der Hydraulikflüssigkeit im hydraulischen
System geregelt wird, ist mit den kennzeichnenden Merkma
len des Hauptanspruchs in vorteilhafter Weise weiterge
bildet. Hierbei werden die Druck-Istwerte und die Auslen
kung des Stellsignals im hydraulischen System durch Sen
soren erfasst und es wird das wirksame Systemvolumen der
Hydraulikflüssigkeit im abgeschlossenen Volumen der
Druckregelstrecke aus den gemessenen Werten berechnet und
aus dem berechneten Systemvolumen werden Systemparameter
zur automatisierten Reglerparametrierung in der Regelan
ordnung hergeleitet.
Besonders vorteilhaft wird das wirksame Systemvolumen aus
den gemessenen Werten mittels der Bestimmung der hydrau
lischen Kapazität der Regelstrecke während des Betriebs
der Regelstrecke fortdauernd oder in Intervallen be
stimmt. Einzelne Verfahrensschritte, die anhand des in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er
läutert werden, sind:
- - Die Istwerte des Drucks und des Ventil- oder Pum penhubs als Auslenkung des Stellsignals werden in vorgegebenen Zeitabständen abgetastet,
- - die abgetasteten Signale werden gefiltert und mit einem Differenzierglied wird der Druckgradient er mittelt,
- - der Druckgradient wird mit einem Schwellwertdetek tor daraufhin untersucht, ob in einer vorgegebenen Zeit eine ausreichende Druckänderung stattfindet,
- - ist die Druckänderung kleiner als der vorgegebene Schwellwert, wird die hydraulische Kapazität (CH) gleich Null gesetzt,
- - ist die Druckänderung größer als der vorgegebene Schwellwert, wird der Volumenstrom berechnet, an schließend mit der annähernd gleichen Filterzeit konstanten wie im Differenzierglied gefiltert und aus den so ermittelten Werten wird die hydraulische Kapazität (CH) berechnet.
Bei Kenntnis des so ermittelten wirksamen Systemvolumens
steht somit auf einfache Weise der wichtigste Systempara
meter zur Parametrierung eines Druckreglers zur Verfü
gung. Eine Änderung dieses Parameters über einen längeren
Zeitraum lässt Rückschlüsse auf die Systemeigenschaften
wie z. B. eine Leckage im hydraulischen System zu und kann
damit vorteilhaft zu Diagnosezwecken genutzt werden. Be
sonders vorteilhaft ist, dass die Identifikation der Sys
temparameter im geschlossenen Regelkreis durchgeführt
werden kann, so dass die identifizierte Größe nach sehr
kurzer Zeit, z. B. nahezu bei Beginn des Regelvorganges,
mit hoher Genauigkeit und Robustheit zur Verfügung steht.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Führungsgröße des Re
gelkreises hier ein beliebiges Signalverhalten aufweisen
darf, beispielsweise eine Rechteck-, Dreieck- oder Sinus
form, dass ferner die Richtung der Signaländerung (Dru
ckauf- oder -abbau) keinen Einfluss auf das Ergebnis hat
und dass der Rechenaufwand relativ gering ist, so dass
auch eine Online-Identifikation während des Betriebs mög
lich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wid das iden
tifizierte Systemvolumen der hydraulischen Druckregel
strecke während des Betriebs mit künstlichen neuronalen
Netzen (KNN) oder mittels einer Fuzzy-Logik ausgewertet
und klassifiziert, so dass die Systemparameter der
Regelanordnung einfach bestimmbar sind. Mit den neurona
len Netzen oder der Fuzzy-Logik ergeben sich z. B. Fehler
bei der Identifikation, die kleiner als 5% sind. Bei ei
ner entsprechenden Optimierung oder einer höheren Akzep
tanz ist auch eine Verringerung des Rechenaufwand mög
lich.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah
rens werden die Systemparameter zur Parametrierung der
Regelanordnung in besonders vorteilhafter Weise zur Er
mittlung eines Umschaltzeitpunktes für die Umschaltung
von einer Geschwindigkeitsregelung oder -steuerung zu ei
ner Druck- oder Kraftregelung in einer Regelanordnung he
rangezogen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsge
mäßen Verfahrens kann sichergestellt werden, dass während
der Geschwindigkeitsregelung eine Drucküberwachung den
Geschwindigkeitsregelungsprozess durch ihr Eingreifen nur
dann stört, wenn die Druckverhältnisse im hydraulischen
System tatsächlich kritische Betriebszustände hervorrufen
oder wenn im Druckregelprozess das gewünschte Führungs
verhalten erzielt wird.
Der Prozess der Umschaltung kann hier in vorteilhafter
Weise automatisch erfolgen, wobei das Verfahren sowohl
für Antriebe mit einem Ventil wie auch mit einer elektro
hydraulisch verstellbaren Pumpe geeignet ist. Auf einfa
che Weise kann der Umschaltzeitpunkt anhand eines aus dem
Ventilhub des Stellantriebs berechneten Volumenstrom und
einem aus dem Druckgradienten berechneten Volumenstrom
ermittelt werden, wobei die Differenz der beiden Volumen
ströme ein Maß für den Umschaltzeitpunkt darstellt.
Der Umschaltzeitpunkt kann dabei vorteilhaft mit folgen
den Verfahrensschritten ermittelt werden:
- - Die Istwerte des Drucks und des Ventil- oder Pum penhubs als Auslenkung des Stellsignals werden in vorgegebenen Zeitabständen abgetastet,
- - durch differenzieren wird der Druckgradient ermit telt, der Volumenstrom wird einerseits aus dem Druckgra dienten errechnet und
- - der Volumenstrom wird andererseits aus dem Ventil- oder Pumpenhub errechnet.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung wären
beispielweise die hier einzustellenden Schwellwerte für
die Umschaltung stark von den Betriebsbedingungen wie
z. B. der Lastmasse oder der Verfahrgeschwindigkeit abhän
gig, so dass ein beträchtlicher Aufwand zur Einstellung
dieser Werte bei einer Änderung der Betriebsbedingungen
notwendig ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist da
gegen weitestgehend unabhängig von diesen Betriebsbedin
gungen, da es darauf basiert, dass die Druckregelung bei
einem abgeschlossenem Hydraulikvolumen erfolgt und es
nutzt die bei elektrohydraulischen Antrieben vorhandenen
Messsignale wie Druck und Stellgliedhub zur Berechnung
des Umschaltzeitpunktes.
Eine Vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah
rens ergibt sich insbesondere bei einer Regelanordnung,
bei der ein elektrohydraulischer Druckregelkreis mit ei
nem stetig verstellbaren Ventil oder einer stetig ver
stellbaren Pumpe, z. B. für einen Stellzylinder einer
Spritzgussmaschine, ausgestattet ist. Diese sind mittels
einer digitalen Feldbusankopplung mit einem digitalen
Regler verbunden, wobei im Regler die Berechnung des Sys
temvolumens mittels eines Software-Moduls durchführbar
ist.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun
gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus
der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre
ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs
form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh
rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird.
Ausführungsbeispiele einer Regelanordnung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeich
nung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Regelanordnung
für ein hydraulisches System mit einem stetig verän
derbaren Ventil,
Fig. 2 ein Ablaufplan zur Berechnung der hydrauli
schen Kapazität des Hydrauliksystems in der Regelan
ordnung nach der Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des Drucks im Hyd
rauliksystem und des Weges eines Stellorgans der
Regelanordnung über der Zeit,
Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs des Druckgradien
ten und des Volumenstroms im Hydrauliksystem über
der Zeit,
Fig. 5 ein Diagramm des Verlaufs der aus den Werten
nach der Fig. 1 errechneten hydraulischen Kapazität
über der Zeit,
Fig. 6 ein Diagramm des Verlaufs der errechneten
hydraulischen Kapazität über der Zeit mit unter
schiedlichen Systemvolumina,
Fig. 7 und 8 ein Diagramm des Verlaufs der errech
neten hydraulischen Kapazität über der Zeit in Ab
hängigkeit vom Druckniveau und von der Richtung ei
ner Druckänderung,
Fig. 9 ein Diagramm der Änderung des Ersatzkompres
sionsmoduls der Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit
vom Druck,
Fig. 10 eine Darstellung der normierten Eingangs
werte der hydraulischen Kapazität als Merkmale zur
Identifikation des Systemvolumens in dem Hydraulik
system,
Fig. 11 ein Diagramm des Verlaufs des Drucks über
der Zeit bei einem Anfahren eines Stellzylinders an
einen Anschlag,
Fig. 12 ein Diagramm des Verlaufs des Hubs des
Stellzylinders über der Zeit bei einem Anfahren des
Stellzylinders an einen Anschlag,
Fig. 13 ein Diagramm einer Gegenüberstellung von
Volumenströmen im hydraulischen System, die einer
seits aus dem gemessenen Druck und andererseits aus
dem gemessenen Hub des Stellzylinders ermittelt wer
den,
Fig. 14 ein Diagramm des Verlaufs des Drucks über
der Zeit bei einem Anfahren eines Stellzylinders an
einen Anschlag zur Ermittlung eines Umschaltzeit
punktes im Regelverfahren;
Fig. 15 ein Diagramm des Verlaufs der Differenz der
Volumenströme nach der Fig. 13 unter Berücksichti
gung eines Schwellwertes als Maß für einen Umschalt
vorgang und
Fig. 16 ein Ablaufplan der Berechnungsschritte zur
Detektion des Umschaltzeitpunktes nach den Fig.
14 und 15.
Bei einem Ausführungsbeispiel eine Regelanordnung nach
Fig. 1 ist gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise zur Regelung eines hydraulischen Stellzy
linders für einen Spritzzylinder in einer Kunststoff-
Spritzgießmaschine 1 eingesetzt werden kann. Um eine hohe
Qualität des produzierten Spritzgießteils zu gewährleis
ten muss insbesondere die Einspritzgeschwindigkeit des
flüssigen Kunststoffs, der Nachdruck und der Staudruck
während des Gießprozesses auch bei teilweise Erkalten der
Gießmasse möglichst gut geregelt werden.
Bei der Regelanordnung nach der Fig. 1 wird der Druck-
Istwert p im Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit mit
einer geeigneten Sensorsanordnung 2 erfasst und mittels
einem Signalwandler 3 in ein vorzugsweise digitales
elektrisches Signal umgewandelt. In einem hier nur schema
tisch angedeuteten Regler 4 werden die gemessenen Werte
und die Sollwerte für den Druck und den Volumenstrom der
Hydraulikflüssigkeit ausgewertet und dann einem stetig
verstellbaren Ventil 5 zugeführt. Die weiteren, hier
nicht näher erläuterten Bauelemente, entsprechen dem an
sich bekannten Aufbau eines hydraulischen Regelkreises.
Mit der hier gezeigten Anordnung kann somit das wirksame
Systemvolumen der Hydraulikflüssigkeit im abgeschlossenen
Volumen der Druckregelstrecke aus den gemessenen Werten
berechnet und aus dem berechneten Systemvolumen die Sys
temparameter zur Parametrierung der Regelanordnung herge
leitet werden. Zur Identifikation des Systemvolumens ste
hen zwei Messsignale zur Verfügung, nämlich die Regelgrö
ße Druck sowie die Auslenkung des Stellzylinders. Das
wirksame Systemvolumen wird aus den gemessenen Werten
mittels der Bestimmung der hydraulischen Kapazität CH der
Regelstrecke während des Betriebs bestimmt.
In Fig. 2 wird der Berechnungsablauf zur Ermittlung der
hydraulischen Kapazität CH zusammenhängend anhand eines
Ablaufplans dargestellt. Mit Hilfe des gemessenen Druck
signals p und des ebenfalls erfassten Wegsignals s ist es
möglich die hydraulische Kapazität CH, die bei einer
Druckregelstrecke mit abgeschlossenem Volumen als Quo
tient aus dem Volumenstrom Q und dem Druckgradient dp/dt
() definiert ist, nach folgender Formel zu berechnen:
mit E entsprechend dem Elastizitäts- oder besser dem Er
satzkompressionsmodul und Vo entsprechend dem Systemvolu
men der Hydraulikflüssigkeit. Beim Ersatzkompressionsmo
dul E für die Hydraulikflüssigkeit wird hier ein standar
disierter konstanter Wert angenommen, der einen gewissen
üblichen Luftanteil und weitere bekannte Einflussgrößen
beinhaltet.
Der Volumenstrom Q bzw. Q1 ergibt sich dabei für ein Ven
til mit linearer Kennlinie bei einem Konstantdrucksystem
in Abhängigkeit vom Hub s des Stellgliedes, hergeleitet
aus dem Durchflussgesetz durch eine Blende nach Bernoul
li, durch die Beziehung:
für s ≧ 0 ergibt sich Δp = p0 - pA und
für s≦0 ergibt sich Δp = pA - pT.
wobei Δpnenn die Nenndruckdifferenz, Qnenn den Nennvolumen strom, p0 den Systemdruck, pA den Druck am Stellzylin der, pr den Tankdruck im Hydrauliksystem und s den. Ven tilhub bezogen auf den Nennhub darstellt, wobei hier der Nennvolumenstrom Qnenn als ein schon vom Hersteller des Hydrauliksystems ermittelter Wert bekannt ist.
für s≦0 ergibt sich Δp = pA - pT.
wobei Δpnenn die Nenndruckdifferenz, Qnenn den Nennvolumen strom, p0 den Systemdruck, pA den Druck am Stellzylin der, pr den Tankdruck im Hydrauliksystem und s den. Ven tilhub bezogen auf den Nennhub darstellt, wobei hier der Nennvolumenstrom Qnenn als ein schon vom Hersteller des Hydrauliksystems ermittelter Wert bekannt ist.
Wenn anstelle des Ventils eine Pumpe als Stellglied vor
handen ist, kann der Volumenstrom Q1 auf folgende Weise
bestimmt werden:
Q1 = n.VFörder.S - QLeck (3),
wobei n die Pumpendrehzahl, VFörder das Fördervolumen pro
Umdrehung, s den Pumpenhub bezogen auf den Nennhub und
QLeck die Leckage der Hydraulikflüssigkeit darstellt. Die
Leckage QLeck der Pumpe ist hierbei näherungsweise linear
vom Druck p in folgender Weise abhängig:
QLeck = Faktor.p (4)
Eine weitere Möglichkeit zur Berechnung des Volumenstroms
Q bzw. Q2 ergibt sich unter Heranziehung des Drucksignal s
p. Die hydraulische Kapazität CH ist hier definiert als:
mit EG als dem Ersatzkompressionsmodul, Qzu als dem zu
fließenden Volumenstrom und Qab als dem abfließenden Volu
menstrom im Hydrauliksystem.
Bei einem abgeschlossenen Volumen kann der abfließende
Volumenstrom Qab zu Null angesetzt werden, so dass sich
nach einer Umstellung der Formeln aus den vorherigen
Gleichung folgendes ergibt:
Der Druckgradient lässt sich hierbei durch Differen
zieren des Drucksignals p, wie nachfolgend beschrieben,
ermitteln.
Nach dem Ablaufplan aus der Fig. 2 mit hier nur bei
spielhaft angegebenen Werten werden zur Unterdrückung von
Störungen die Messsignale p und s zunächst abgetastet und
in einem Tiefpass 2. Ordnung gefiltert. Nach einer Diffe
renzierung des Drucksignals p zur Bestimmung des Druck
gradienten detektiert ein Schwellwertdetektor die Zeit,
in der im System eine ausreichende Druckänderung (z. B.
<200 bar/s) stattfindet. Ist die Druckänderung kleiner
als der vorgegebene Schwellwert wird im Ergebnis die hyd
raulische Kapazität CH gleich Null gesetzt.
Wird der Schwellwert jedoch überschritten so wird der Vo
lumenstrom Q nach der Gleichung (2) oder (3) berechnet.
Um eine Phasenverschiebung zwischen dem Volumenstrom Q
bzw. Q1 oder Q2 und dem Druckgradienten auszuschließen,
wird der Volumenstrom Q nachträglich noch einmal mit der
gleichen Filterzeitkonstanten (PT1) gefiltert wie sie im
zuvor erwähnten Differenzierglied (DT1) verwendet wird.
Anschließend kann hier die hydraulische Kapazität CH be
rechnet werden.
Anhand Fig. 3 sind beispielhaft Signalverläufe für den
Druck p und den Ventilhub s bei einem Drucksprung von 40
auf 140 bar gezeigt. In Fig. 4 sind die aus den Messsig
nalen berechneten Größen für den Volumenstrom Q und den
Druckgradienten entnehmbar. Aus Fig. 5 ist der Verlauf
der daraus abgeleiteten hydraulischen Kapazität CH, wie
in den vorhergehenden Fällen über der Zeit t, erkennbar.
Fig. 6 zeigt, wie sich die hydraulische Kapazität CH in
Abhängigkeit von unterschiedlichen Systemvolumina über
der Zeit t verhält. Man erkennt hier eine starke Abhän
gigkeit des CH-Niveaus vom Volumen Vo des hydraulischen
Systems.
Aus Fig. 7 ist zu entnehmen, dass der Kurvenverlauf der
hydraulischen Kapazität CH nicht nur vom Volumen Vo des
hydraulischen Systems sondern auch vom Niveau der Druck
änderung bzw. von der Richtung der Signaländerung (Dru
ckauf-/abbau) abhängt, was insbesondere auch aus den bei
den Darstellungen nach Fig. 8 erkennbar ist, bei der
links eine Druckerhöhung von 190 auf 280 bar und im rech
ten Diagramm eine Druckminderung von 190 auf 100 bar ge
zeigt ist. Dieser Einfluss kann überwiegend auf die Ände
rung des Ersatzkompressionsmoduls EG in Abhängigkeit vom
Druck p zurückgeführt werden.
In Fig. 9 ist das Ersatzkompressionsmodul EG in Abhän
gigkeit vom Druck p und vom prozentualen Anteil (0,1 bis
10%) ungelöster Luft in der Hydraulikflüssigkeit darge
stellt.
Um die Einflüsse vom Druckniveau und der Signalrichtung
bei der Identifikation des Systemvolumens zu berücksich
tigen kann nach dem Überschreiten des Druckgradienten
schwellwertes zur Berechnung der hydraulischen Kapazität
CH die Zeitdauer Δt sehr kurz gewählt werden. Als Richt
linie bei einer Druckregelung mit einer Pumpe hat sich
z. B. eine Zeitdauer von 8 ms als ausreichend erwiesen.
Hieraus ergibt sich eine Gesamtdauer für den gesamten
Drucksprung ca. 100 ms, d. h. nach 8% der Gesamtdauer eines
Führungssprunges steht schon genügend Information zur
Identifikation des Systemvolumens zur Verfügung.
Bei einer Abtastrate des digitalen Druckreglers nach dem
Ausführungsbeispiel von ca. 200 µs stehen nach ca. 8 ms 41
CH-Werte zur Verfügung, wobei es sich als sinnvoll erwie
sen hat, von den 41 Werten 5 äguidistante Werte auszuwäh
len während die anderen verworfen werden können. Zusätz
lich zu den 5 CH-Werten wird der Druck p bei Beginn der
Berechnung sowie der Druck p nach 8 ms gespeichert. Mit
der Information dieser beiden Druckwerte kann dann sowohl
die Sprungrichtung wie auch das Druckniveau erkannt wer
den. Nach einer Normierung der 5 CH-Werte sowie der bei
den Druckwerte p ergibt sich ein Merkmal zur Identifika
tion, wie es in Fig. 10 für unterschiedliche Volumina
dargestellt ist.
Das somit entwickelte Merkmal zur Identifikation des Sys
temvolumens einer hydraulischen Druckregelstrecke kann
mit verschiedenen Klassifizierungsmethoden u. a. mit sog.
künstlichen neuronalen Netzen (KNN) oder mit einer sog.
Fuzzy-Logik ausgewertet werden. Mit den künstlichen neu
ronalen Netzen ergeben sich z. B. Fehler bei der Identifi
kation kleiner als 5%. Die im Diagramm nach der Fig. 10
angegebene Anzahl der Merkmalswerte von 7 als normierte
Eingangswerte ist als Richtwert zu sehen. Bei einer ent
sprechenden Optimierung oder Akzeptanz größerer Fehler
sind auch weniger Werte und damit weniger Rechenaufwand
möglich.
Eine Änderung des Ersatzkompressionsmoduls EG in Abhän
gigkeit von der Temperatur, dem Schlauchmaterial, dem An
teil ungelöster Luft usw. im Hydrauliksystem hat Auswir
kung auf das Niveau der in den Fig. 3 bis 8 gezeigten
CH-Kurven und damit auf das identifizierte Systemvolumen.
Dies ist jedoch gewünscht, da sich das Verhalten der Re
gelstrecke dadurch auch verändert und mit dem im gleichen
Verhältnis geänderten identifizierten Volumenwert gut be
schrieben werden kann. Däs identifizierte Systemvolumen
kann auch als Referenzgröße zu dem System aufgefasst wer
den, für das die Merkmale erstellt wurden.
Eine erhöhte Leckage im System wirkt sich z. B. beim iden
tifizierten Systemvolumen so aus, dass unterschiedliche
Werte für den Druckauf- bzw. den Druckabbau berechnet
werden. Dies kann dann zur Diagnose der Leckage im Hyd
rauliksystem genutzt werden.
Der Verlauf des Ersatzkompressionsmoduls EG nach der
Fig. 9 kann für die meisten Einsatzfälle sehr gut mit ei
nem Luftanteil von 0,2% beschrieben werden. Das zur Be
rechnung erforderliche Systemvolumen kann dann entweder
aus der zuvor erläuterten Identifikation der Systempara
meter ermittelt werden oder so angepasst werden, dass die
aus dem Stellgliedhub s sowie aus dem Druckgradienten be
rechneten Volumenströme Q1 (Gleichung (2)) und Q2 (Glei
chung (6)) bei abgeschlossenem Volumen gleiches Verhalten
zeigen.
Fig. 11 und Fig. 12 zeigen das Signalverhalten des
Drucks (Fig. 11) und des Ventilhubs (Fig. 12) bei einer
umschaltenden Regelung von einer Geschwindigkeitsregelung
in eine Kraftregelung an einem Zylinderantrieb einer
Spritzgussmaschine nach der Fig. 1, wie es prinzipiell
anhand des Standes der Technik schon in der Beschrei
bungseinleitung erwähnt worden ist. Der Zylinder des
Stellantriebs fährt hier gemäß des Diagramms nach der
Fig. 12 mit einer Ventilöffnung von ca. 25% gegen einen
Anschlag. Ist der Anschlag erreicht liegt ein abgeschlos
senes Volumen im Hydrauliksystem vor. Durch die große
Ventilöffnung steigt der Druck p, wie aus der Fig. 11
ersichtlich, auf der großen Kolbenfläche des Stellzylin
ders sehr schnell an und muss durch rechtzeitiges Zu
schalten des Kraftreglers kontrolliert werden, d. h. der
Ventilhub wird drastisch reduziert.
Der Zeitpunkt des zuvor beschriebenen Übergangs von einer
Geschwindigkeitsregelung in eine Kraftregelung kann mit
dem erfindungsgemäßen zuvor beschriebenen Verfahren vor
teilhaft mit einem entsprechenden Umschaltkonzept detek
tiert werden. Zur Erläuterung wird in Fig. 13 der aus
dem Ventilhub s berechnete Volumenstrom Q1 der aus dem
Druckgradienten berechneten Volumenstrom Q2 gegenüberge
stellt. Nachdem der Stellzylinder an den Anschlag gefah
ren ist und ein abgeschlossenes Volumen vorliegt, steigt
der Volumenstrom Q2 stark an und nähert sich sehr schnell
dem Volumenstrom Q1. Es ist hier gut zu erkennen, dass
die beiden anhand der Gleichung (2) und (6) berechneten
Volumenströme Q1 und Q2 bei abgeschlossenem Volumen eine
sehr gute Übereinstimmung zeigen.
Die Differenz der beiden Volumenströme Q1 und Q2 gemäß der
Fig. 13 ist dann ein Maß für den eigentlichen Umschalt
vorgang. Ist gemäß Fig. 14 und 15 die Differenz größer
als der Schwellwert SW, hier z. B. -0,6.10-4 m3/s, so
wird der Umschaltzeitpunkt UZ gerade in der Anstiegsphase
des Druckes p detektiert, so dass der Kraftregler recht
zeitig zugeschaltet werden kann.
Aus dem Ablaufplan nach Fig. 16 sind die Berechnungs
schritte zur Detektion des Umschaltzeitpunktes UZ im
zeitlichen Verlauf dargestellt. Nach dem Abtasten des er
fassten Drucksignals p und des Hubsignals s wird zur Er
mittlung des Volumenstroms Q2 das Drucksignal p differen
ziert und über den Druckgradienten wird dann der Volumen
strom Q2 berechnet. Parallel dazu wird der Volumenstrom
Q1 aus dem Hubsignal s berechnet. Die Auswertung der Dif
ferenz dieser Volumenwerte Q1 und Q2 erfolgt über den
Schwellwert SW, wie anhand er Fig. 14 und 15 beschrie
nen.
Claims (9)
1. Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein
hydraulisches System, bei dem
die Istwerte im hydraulischen System durch Sensoren (2) erfasst werden und insbesondere der Druck (p) der Hydraulikflüssigkeit im hydraulischen System geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
das wirksame Systemvolumen der Hydraulikflüssigkeit im abgeschlossenen Volumen der Druckregelstrecke aus den gemessenen Werten berechnet wird und dass
aus dem berechneten Systemvolumen Systemparameter zur Parametrierung der Regelanordnung hergeleitet werden.
die Istwerte im hydraulischen System durch Sensoren (2) erfasst werden und insbesondere der Druck (p) der Hydraulikflüssigkeit im hydraulischen System geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
das wirksame Systemvolumen der Hydraulikflüssigkeit im abgeschlossenen Volumen der Druckregelstrecke aus den gemessenen Werten berechnet wird und dass
aus dem berechneten Systemvolumen Systemparameter zur Parametrierung der Regelanordnung hergeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass
das wirksame Systemvolumen aus den gemessenen Wer
ten mittels der Bestimmung der hydraulischen Kapa
zität (CH) der Regelstrecke während des Betriebs der
Regelstrecke fortdauernd oder in Intervallen (Δt)
bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
dass
die hydraulische Kapazität (CH) mit folgenden Ver fahrensschritten ermittelt wird:
die Istwerte des Drucks (p) und des Ventil- oder Pumpenhubs (s) als Auslenkung des Stellsignals wer den in vorgegebenen Zeitabständen (Δt)abgetastet,
die abgetasteten Signale werden gefiltert und mit einem Differenzierglied wird der Druckgradient (p) ermittelt,
der Druckgradient (p) wird mit einem Schwellwertde tektor daraufhin untersucht, ob in einer vorgegebe nen Zeit eine ausreichende Druckänderung stattfin det,
ist die Druckänderung kleiner als der vorgegebene Schwellwert, wird die hydraulische Kapazität (CH) gleich Null gesetzt,
ist die Druckänderung größer als der vorgegebene Schwellwert, wird der Volumenstrom (Q; Q1, Q2) berech net, anschließend mit der annähernd gleichen Fil terzeitkonstanten (PT1) wie im Differenzierglied (DT1) gefiltert und aus den so ermittelten Werten wird die hydraulische Kapazität (CH) berechnet.
die hydraulische Kapazität (CH) mit folgenden Ver fahrensschritten ermittelt wird:
die Istwerte des Drucks (p) und des Ventil- oder Pumpenhubs (s) als Auslenkung des Stellsignals wer den in vorgegebenen Zeitabständen (Δt)abgetastet,
die abgetasteten Signale werden gefiltert und mit einem Differenzierglied wird der Druckgradient (p) ermittelt,
der Druckgradient (p) wird mit einem Schwellwertde tektor daraufhin untersucht, ob in einer vorgegebe nen Zeit eine ausreichende Druckänderung stattfin det,
ist die Druckänderung kleiner als der vorgegebene Schwellwert, wird die hydraulische Kapazität (CH) gleich Null gesetzt,
ist die Druckänderung größer als der vorgegebene Schwellwert, wird der Volumenstrom (Q; Q1, Q2) berech net, anschließend mit der annähernd gleichen Fil terzeitkonstanten (PT1) wie im Differenzierglied (DT1) gefiltert und aus den so ermittelten Werten wird die hydraulische Kapazität (CH) berechnet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass
das identifizierte Systemvolumen der hydraulischen
Druckregelstrecke während des Betriebs mit künstlichen
neuronalen Netzen oder mittels einer Fuzzy-Logik aus
gewertet und klassifiziert wird, so dass die Systempa
rameter der Regelanordnung bestimmbar sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass
die Systemparameter zur Parametrierung der Regelan
ordnung zur Ermittlung eines Umschaltzeitpunktes
(UZ) für die Umschaltung von einer Geschwindig
keitsregelung oder -steuerung zu einer Druck- oder
Kraftregelung in der Regelanordnung herangezogen
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass
der Umschaltzeitpunkt (UZ) anhand eines aus dem Ven
tilhub (s) des Stellantriebs (1) berechnete Volumen
strom (Q1) und einem aus dem Druckgradienten berechne
ten Volumenstrom (Q2) ermittelt wird, wobei die Diffe
renz der beiden Volumenströme (Q1, Q2) ein Maß für den
Umschaltzeitpunkt (UZ) darstellen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass
der Umschaltzeitpunkt (UZ) mit folgenden Verfah rensschritten ermittelt wird:
die Istwerte des Drucks (p) und des Ventil- oder Pumpenhubs (s) als Auslenkung des Stellsignals wer den in vorgegebenen Zeitabständen (Δt) abgetastet, durch differenzieren wird der Druckgradient (p) er mittelt,
der Volumenstrom (Q2) wird aus dem Druckgradienten (p) errechnet und
der Volumenstrom (Q1) wird aus dem Ventil- oder Pumpenhub (s) errechnet.
der Umschaltzeitpunkt (UZ) mit folgenden Verfah rensschritten ermittelt wird:
die Istwerte des Drucks (p) und des Ventil- oder Pumpenhubs (s) als Auslenkung des Stellsignals wer den in vorgegebenen Zeitabständen (Δt) abgetastet, durch differenzieren wird der Druckgradient (p) er mittelt,
der Volumenstrom (Q2) wird aus dem Druckgradienten (p) errechnet und
der Volumenstrom (Q1) wird aus dem Ventil- oder Pumpenhub (s) errechnet.
8. Regelanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass
ein elektrohydraulischer Druckregelkreis mit einem
stetig verstellbaren Ventil (5) oder einer stetig ver
stellbaren Pumpe ausgestattet ist, die mittels einer
digitalen Feldbusankopplung mit einem digitalen Regler
verbunden sind, wobei im Regler die Berechnung des
Systemvolumens mittels eines Software-Moduls durch
führbar ist.
9. Regelanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, dass
mit dem stetig verstellbaren Ventil (5) oder der ste
tig verstellbaren Pumpe der hydraulische Stellzylinder
einer Spritzgussmaschine (1) steuerbar ist.
Priority Applications (5)
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DE10060285A DE10060285A1 (de) | 2000-12-05 | 2000-12-05 | Verfahren zum Betrieb einer Regelanordnung für ein hydraulisches System |
DE50106824T DE50106824D1 (de) | 2000-12-05 | 2001-10-09 | Verfahren zum betrieb einer regelanordnung für ein hydraulisches system |
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- 2001-10-09 AT AT01999756T patent/ATE299997T1/de active
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