-
Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Anbaueinrichtung, die
einen Hebeantrieb mit mindestens einem hydraulischen Zylinder und
eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung einen
Positionssensor und einen Positionsgeber aufweist.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Traktors beschrieben, an
dessen Ackerschiene unterschiedliche Anbaugeräte befestigt werden können. Dabei
kann es sich beispielsweise um einen Pflug, eine Egge, ein Mähwerk oder
eine andere Einrichtung handeln. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf einen Traktor als Fahrzeug beschränkt. Auch andere Fahrzeuge
können
Anbaueinrichtungen aufweisen, beispielsweise Straßenkehrmaschinen,
Forstmaschinen etc.
-
Die
Anbaueinrichtung sollte im Betrieb auf eine bestimmte Position eingestellt
werden, d.h. auf eine Höhe,
die dem Anwendungszweck entspricht. Beispielsweise sollte ein Pflug,
der an einem Traktor befestigt ist, bis zu einer bestimmten Tiefe
in das Erdreich eindringen. Eine zu große oder eine zu geringe Tiefe
ist unerwünscht.
Die eingestellte Position wird aber nicht über die gesamte Betriebsdauer
des Traktors beibehalten. Beispielsweise muß der Pflug angehoben werden,
wenn der Traktor das Feld verläßt, um zu
einem anderen Feld zu gelangen. Der Pflug muß auch angehoben werden, wenn
der Traktor die Fahrtrichtung ändert,
die Schollen aber in die gleiche Richtung geworfen werden sollen.
Nach dem Anheben muß der
Pflug wieder in die vorher eingestellte Position verbracht werden.
-
Die
Kombination aus hydraulischem Zylinder und Steuereinrichtung bildet
einen Teil einer elektrohydraulischen Positionssteuerung. Wenn man
beim Anheben die dem Zylinder zugeführte Menge der Hydraulikflüssigkeit
steuert, dann kann man eine weitgehend lastunabhängige Hebebewegung realisieren. Die
Geschwindigkeit des Zylinders in der Anheberichtung kann im wesentlichen
proportional zu einem Steuersignal gehalten werden. Die maximale
Geschwindigkeit des Zylinders ist somit proportional zu einem Maximal-Sollwert
des Steuersignals und die Verstärkung
ist konstant und unabhängig
von der Belastung.
-
Anders
sieht es aus beim Absenken der Last, d.h. der Anbaueinrichtung.
Die Absenkbewegung kann insbesondere bei einfach wirkenden Zylindern in
der Regel nicht lastunabhängig
gestaltet werden. Anbaueinrichtungen mit einem höheren Gewicht sinken schneller
ab als Anbaueinrichtungen mit einem geringeren Gewicht. Dies führt zu Varianten
in der Regelverstärkung
bei der Positionsregelung für wechselnde
Lasten.
-
Aus
US 4 846 283 ist ein Fahrzeug
bekannt, bei dem die Absenkgeschwindigkeit der Anbaueinrichtung
gebremst werden kann. Man kann bis zu einer gewissen Grenze ein
Steuersignal und dadurch die maximale Auslenkung des Ventils justieren.
Dies gilt für
eine vorgegebene Last. Wenn sich die Last ändert, ist eine neue Justierung
oder Einstellung erforderlich.
-
US 6 016 875 beschreibt
eine Steuerung, die die Verstärkung
iterativ einstellt, die proportional zur gewünschten Hebegeschwindigkeit
ist. Das dort vorgestellte Verfahren basiert auf einem Überschwingen und
fordert einige Iterationsschritte. Bei dieser Iteration kann der
Fahrer ein unangenehmes Empfinden haben, wenn sich die Beschleunigung ändert.
-
US 5 320 186 beschreibt
ein Verfahren, um eine konstante und lastunabhängige maximale Geschwindigkeit
bei der Veränderung
der Position der Anbaueinrichtung zu erreichen. Dieses Verfahren verwendet
eine Geschwindigkeitssteuerung, die numerisch die Position der Anbaueinrichtung
differenziert, um ihre Geschwindigkeit zu ermitteln. Diese Geschwindigkeit
wird mit einer Soll-Geschwindigkeit verglichen,
um einen Geschwindigkeitsfehler herauszufinden, der danach einem
Integrator zugeführt wird.
Diese Steuerung entspricht damit weitgehend einer proportionalen
Positionsfehler-Regelung mit einer Rampenfunktion als Referenz.
Die Steigung der Rampe ist die gewünschte Geschwindigkeit.
-
In
einfach aufgebauten Steuerungen kann dieses Verfahren zu zu hohen
Geschwindigkeiten führen.
In Regelungen können
Situationen auftreten, wo die Positionsregelung und die Geschwindigkeitsregelung
gegeneinander arbeiten, was das Risiko beinhaltet, daß sich zu
hohe Geschwindigkeiten ergeben. Darüber hinaus können zu
große
Beschleunigen auftreten. Diese können
einerseits zu Schäden führen. Andererseits
können
beim Anheben der Last die Vorderräder vom Untergrund abheben,
was zu gefährlichen
Situationen führen
kann.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Positionssteuerung der
Anbaueinrichtung zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird bei einem Fahrzeug der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß die Steuereinrichtung
einen Bahnkurvengenerator, der in Abhängigkeit von einem Positions-Sollwert
und einer Beschleunigungsgrenze eine Bahnkurve erzeugt, die im Hinblick
auf eine Zeitvorgabe optimiert ist, und eine Nachlaufsteuerung aufweist,
die den Hebeantrieb entsprechend der Bahnkurve ansteuert.
-
Mit
dieser Ausgestaltung erreicht man, daß die Anbaueinrichtung in die
gewünschte
Position bewegt werden kann, ohne daß unzulässig hohe Beschleunigungswerte
auftreten. Der Bahnkurvengenerator versucht dabei, die Bewegung
in einem "Zeitfenster" unterzubringen,
das durch die Zeitvorgabe vorgegeben ist. Üblicherweise wird der Benutzer
des Fahrzeugs eine möglichst
kurze Zeit wählen.
Es ist aber auch möglich,
daß er
bewußt
eine längere
Zeit vorgibt. Aus der Zeitvorgabe ergibt sich eine Geschwindigkeit,
mit der die Anbaueinrichtung bewegt werden sollte. Der Bahnkurvengenerator
begrenzt aber nun den Geschwindigkeitsanstieg und die Geschwindigkeitsabnahme
so, daß keine
unzulässig hohen
Beschleunigen auftreten und damit keine unzulässig hohen Kräfte.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn der Bahnkurvengenerator auch mindestens eine
Geschwindigkeitsvorgabe berücksichtigt.
In diesem Fall kann man beispielsweise die Geschwindigkeit begrenzen.
-
Vorzugsweise
ist die Beschleunigungsgrenze einstellbar. Der Benutzer kann dann
die maximal zulässige
Beschleunigung an unterschiedliche Anbaueinrichtungen anpassen.
Beispielsweise können bei
leichten Anbaugeräten
größere Beschleunigungswerte
zulässig
sein als bei schwereren Anbaugeräten.
-
Vorzugsweise
ist die Zeitvorgabe einstellbar. Der Benutzer kann dann entscheiden,
ob er für
die Verlagerung der Anbaueinrichtung eine größere oder eine kleinere Zeit
in Kauf nehmen möchte.
Hierbei ist allerdings zu beachten, daß die Wahl der Zeitvorgabe nicht
unbedingt sicherstellt, daß diese
Zeitvorgabe tatsächlich
erreicht wird. Grenzen werden u.a. durch die Beschleunigungsgrenze
gesetzt. Unter Umständen
kann man auch noch Geschwindigkeitsvorgaben beachten, beispielsweise
eine maximale Geschwindigkeit. In jedem Fall wird aber der Bahnkurvengenerator
versuchen, sich der Zeitvorgabe soweit wie möglich anzunähern.
-
Bevorzugterweise
weist die Steuereinrichtung eine Zufluß- und eine Abflußsteuerung
für den Zylinder
auf. Damit lassen sich sowohl die Anhebebewegung als auch die Absenkbewegung
des Zylinders einstellen. Dies gilt sowohl bei einem Zylinder, der
als einfachwirkender Zylinder ausgebildet ist, als auch bei einem
Zylinder, der als doppeltwirkender Zylinder ausgebildet ist.
-
Vorzugsweise
weist die Abflufsteuerung elektronische Steuermittel auf. Die Zuflußsteuerung läßt sich
relativ einfach realisieren, beispielsweise über ein Druckregelventil, das
den Druck über
ein Steuerventil konstant hält.
Da die Ablaufsteuerung insbesondere bei einem einfachwirkenden Zylinder auf
den Antrieb durch das Gewicht der Anbaueinrichtung angewiesen ist,
läßt sich
eine derartige Steuerung nicht immer realisieren. In diesem Fall
kann man elektronische Steuermittel verwenden, die hier eine größere Flexibilität zulassen.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Abflußsteuerung
einen Durchflußmesser
und einen Drucksensor aufweist. Der Begriff "Durchflußmesser" ist hier hauptsächlich funktional zu verstehen.
Letztendlich kommt es darauf an, den Durchfluß zu ermitteln. Der "Durchflußmesser" kann hierbei mechanisch
oder elektronisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann man auch
einen Druckabfall über
das Ventil messen, oder den absoluten Druck, wenn auf der anderen
Seite des Ventils Tankdruck herrscht. Wenn die Öffnung des Ventils bekannt
ist, beispielsweise durch eine elektrische Ansteuerung des Ventils,
dann "kennt" man auch den Durchfluß. Der Drucksensor
weist vorzugsweise einen Signalausgang auf, dessen Signal elektro nisch
weiterverarbeitet werden kann, beispielsweise durch einen Mikrocontroller
oder einen Mikrocomputer.
-
Vorzugsweise
weist die Steuereinrichtung eine Ventilanordnung, die den Abfluß aus dem
Zylinder steuert, auf und die Abflußsteuerung bildet ein inverses
Modell der Ventilanordnung, das Druck verwendet. Mit Hilfe dieses
inversen Modells läßt sich eine
Steuerung realisieren, die zumindest streckenweise ohne Rückkopplung
auskommt. Dies vereinfacht die Steuerung.
-
Hierbei
ist bevorzugt, daß die Übertragungsfunktion
der Bahnkurve auf das inverse Modell die Einheitsfunktion ergibt.
Vereinfacht ausgedrückt,
ergibt die Multiplikation der Bahnkurve mit dem inversen Modell
den Wert 1. Die nachfolgende Regelung der Position, beispielsweise
aufgrund des Drucks, wird dann weiter vereinfacht.
-
In
einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Abflußsteuerung
eine Schätzfunktion
aufweist, die einen Lastdruck verwendet und in einen Regelkreis
eingebunden ist. In diesem Fall wird der Abfluß aus dem Zylinder anhand von
gemessenen Parametern, beispielsweise Druck, geschätzt und
der geschätzte
Wert wird mit einem Vorgabewert verglichen. Damit läßt sich
in guter Näherung
ebenfalls eine Bahnkurve nachfahren.
-
Vorzugsweise
ist die Nachlaufsteuerung adaptiv ausgebildet. Sie paßt sich
also an, wenn Fehler auftreten.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt:
-
1 eine schematische Ansicht
einer Steuerung einer Anbaueinrichtung,
-
2 eine erste Ausführungsform
einer Abflußsteuerung,
-
3 eine zweite Ausführungsform
einer Abflußsteuerung,
-
4 verschiedene Geschwindigkeitsverläufe,
-
5 eine erste Ausführungsform
einer Nachlaufsteuerung und
-
6 eine zweite Ausführungsform
einer Nachlaufsteuerung.
-
1 zeigt schematisch eine
Anbaueinrichtung 1 an einem nicht näher dargestellten Fahrzeug, beispielsweise
eine Ackerschiene an einem Traktor. Die Anbaueinrichtung 1 weist
einen hydraulischen Zylinder 2 auf, der im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
als einfachwirkender Zylinder ausgebildet ist. Es ist aber auch
möglich,
anstelle eines einfachwirkenden Zylinders 2 einen doppeltwirkenden
Zylinder zu verwenden.
-
Der
Zylinder 2 wird gesteuert durch eine Steuereinrichtung 3,
die im folgenden näher
erläutert werden
wird. Eine Last 4 ist an der Anbaueinrichtung 1 befestigt,
um darzustellen, daß die
Anbaueinrichtung eine entsprechende Last anheben können muß.
-
Bei
der Last 4 kann es sich beispielsweise um einen Pflug handeln,
der von einem Traktor gezogen werden muß. Dieser Pflug sollte eine
bestimmte Eindringtiefe in den Erdboden haben. Diese Eindringtiefe
wird dadurch erreicht, daß die
Anbaueinrichtung 1 auf eine bestimmte Höhenposition, die im folgenden
kurz als "Position" bezeichnet wird,
eingestellt wird. Diese Position ist in 1 durch "x" wiedergegeben.
Allerdings ist es nicht damit getan, diese Position einmal einzustellen.
Wenn der Traktor seine Fahrtrichtung ändert und die Erdschollen durch
den Pflug abwechselnd in unterschiedliche Richtungen geworfen werden
müssen,
oder wenn der Traktor das Feld verläßt, dann muß der Pflug angehoben werden. Nach
dem Wiederaufnehmen der Tätigkeit
muß der Pflug
wieder in die gewünschte
Position abgesenkt werden.
-
Hierzu
weist die Steuereinrichtung 3 zunächst ein 3-Wege-3-Richtungen-Steuerventil 5 auf, das
als Proportionalventil ausgebildet ist. Mit Hilfe des Steuerventils 5 ist
es möglich,
hydraulische Flüssigkeit
entweder von einem Druckanschluß P
zum Eingang A des hydraulischen Zylinders 2 fließen zu lassen,
um die Last 4 anzuheben. Oder man kann mit Hilfe des Steuerventils 5 die
Last 4 absenken, indem man den Eingang A des Zylinders 2 mit
einem Tankausgang R1 verbindet.
-
Alternativ
dazu kann das Steuerventil
5 auch in zwei Ventile aufgeteilt
werden, wie dies beispielsweise aus
US
6 058 343 bekannt ist. In diesem Fall dient ein Ventil
dazu, die Last
4 anzuheben, und ein Ventil dazu, die Last
4 abzusenken.
Im Falle eines doppeltwirkenden Zylinders
2 kann ein Ventil
verwendet werden, das vier Wege und drei Richtungen steuert. Auch
ein derartiges Ventil kann in zwei Ventilteile oder vier Ventilteile
zum getrennten Steuern der einzelnen Funktionen aufgeteilt werden,
wie dies aus
US 5 960 695 bekannt
ist.
-
Das
hydraulische System, das den Zylinder 2 und die Steuereinrichtung 3 aufweist,
weist ein pilotgesteuertes Rückschlagventil 6 auf,
das in dem Fall verwendet werden kann, wo man eine Leckage vom Anschluß A vermeiden
möchte,
sogenannte Null-Leckage. In 1 wird
hierzu dargestellt, daß ein
Pilotdruck Pf über
das Steuerventil 5 dem pilotgesteuerten Rückschlagventil 6 zugeführt wird.
Alternativ dazu kann der Pilotdruck direkt oder über ein Magnetventil zugeführt werden.
Dies hat zur Folge, daß das
Rückschlagventil 6 unabhängig von
der Stellung des Steuerventils 5 gesteuert werden kann.
Dies kann vorteilhaft sein in Fällen
einer Regelung, wo die Dynamik des pilotgesteuerten Rückschlagventils 6 eine
Rolle spielt.
-
Zur
Zuflußsteuerung
wird ein Druckregelventil 7 verwendet, das einen konstanten
Druckabfall über
das Steuerventil 5 erzeugt. Damit läßt sich in weiten Grenzen ein
lastunabhängiges
Hebeverhalten des Zylinders 2 erreichen.
-
Für die Abflußsteuerung
verwendet man einen Drucksensor 8 und einen Mikrocontroller 9.
Der Drucksensor 8 erzeugt ein Ausgangssignal, das vom Mikrocontroller 9 ausgewertet
werden kann. Die Druckkompensation kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden,
beispielsweise durch eine Rückführ-Linearisierung
oder mit einer Durchflußschätzfunktion
und -regelung. Der Mikrocon troller 9 dient auch als Positionssensor,
d.h. er ermittelt die Position "x". Dies ist schematisch
durch eine Linie von "x" zum Mikrocontroller 9 dargestellt.
-
2 zeigt das Prinzip der
Rückkopplungs-Linearisierung.
Der gemessene Druckabfall ΔP,
d.h. die Druckdifferenz zwischen dem Anschluß A des Zylinders 2 und
dem Ausgang R1, wird zu einem inversen Modell 10 des Ventils 5 zurückgeführt, was
zu einem rückgekoppelten,
linearisierten System führt,
bei dem der Soll-Durchfluß Qr gleich dem Durchfluß Q ist und zwar unabhängig von
dem Lastdruck. k ist eine Ventilkonstante.
-
3 zeigt ein Modell, das
eine Schätzfunktion
verwendet, um den Abfluß der
Flüssigkeit
aus dem Zylinder 2 zu steuern. Der abgeschätzte Durchfluß Qest wird zurückgeführt und verglichen mit dem vorgegebenen
Referenz-Durchfluß Qr in einem Controller R. Dieser Durchfluß wird einfach
dadurch abgeschätzt,
daß man
die Druckdifferenz ΔP
zwischen dem Anschluß A
des Zylinders 2 und dem Rücklaufanschluß R1, und
das Ventil-Steuersignal U, mit einem Drosselverhalten umrechnet.
-
Auch
in diesem Fall kann man mit guter Näherung erreichen, daß der tatsächlich aus
dem Zylinder 2 abfließende
Durchfluß Q
gleich dem Sollwert-Durchfluß Qr ist.
-
Wenn
man einen doppeltwirkenden Zylinder anstelle des hydraulischen Zylinders 2 verwendet und
aus diesem Grund die Zufluß-
und die Abfluß-Steuerung
trennt, wie beispielsweise bei zwei oder vier Steuerventilen, dann
muß der
Abfluß-Druck oder
der Zufluß-Druck
geregelt werden, um zu vermeiden, daß die Last 4 wegläuft. Die
Trennung ist in manchen Fällen
allerdings nicht erforderlich. Wenn ein 4-Wege-3-Richtungen-Ventil
(4/3-Ventil) verwendet wird, das aufgrund des Zuflusses geregelt
wird (meter-in flow controlled valve), um den doppelt wirkenden
Zylinder zu steuern, dann ist der Durchfluß in beide Richtungen proportional
zum Steuersignal, vorausgesetzt, daß das Ventil richtig für die maximale Last
ausgelegt wurde. In diesem Fall ist die Rückflußmessung (meter-out) nicht
erforderlich.
-
Weil
die Durchflußsteuereinrichtung
eine lineare Funktion zwischen dem Durchfluß-Sollwert-Eingang Qr und der Geschwindigkeit dx/dt der Last
erzeugt, ist, wie dies in 4 dargestellt
ist, die schnellste Bewegungszeit zwischen den Positionen x0 und
xf die Zeit tmin (in Sekunden), wobei vmax die Maximalgeschwindigkeit bei vollständig geöffnetem Ventil 5 und
einem Lastdruck ΔP
ist. Wenn eine kleinere Geschwindigkeit vset gewünscht ist,
dann benötigt
man eine Öffnungszeit
tset des Ventils 5, die größer ist,
um dieselbe Bewegung zu erzielen.
-
Die
dargestellten linearen Profile erfordern eine theoretisch unendlich
große
Beschleunigung. In der Praxis begrenzt der Druck ΔP die Beschleunigung,
aber bei großen
Lasten kann es trotzdem vorkommen, daß die Vorderräder den
Untergrund verlassen, weil zu große Trägheitskräfte wirken.
-
Aus
diesem Grunde führt
man, wie in 4 dargestellt,
eine Beschleunigungsgrenze ein. Das Beschleunigungsprofil hat ein
Maximum a und ein Minimum von –a.
Die Posi tion der Last 4 wird einfach dadurch gefunden,
daß man
zweifach das Beschleunigungsprofil integriert und die gewünschte Geschwindigkeit
vset einschließt, also als Integrationsgrenze
verwendet. Damit erhält
man eine gesteuerte Beschleunigung, die jedoch eine etwas längere Bewegungszeit
tf zur Folge hat. Das Profil ist optimal in dem Sinn, daß es die
kürzeste
Bewegungszeit für eine
vorgegebene maximale Beschleunigung und eine maximale Geschwindigkeit
bildet. Die Geschwindigkeit kann auch durch eine Zeitvorgabe ersetzt
werden.
-
Das
Geschwindigkeitsprofil läßt sich
nun durch eine weitere Integration in eine Bahnkurve für die Bewegung
der Last 4 bzw. der Anbaueinrichtung 1 umsetzen.
Dies ist für
den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar und daher nicht näher dargestellt.
-
Wenn
man nun andere Beschleunigungsgrenzen wählt, dann wird sich der Geschwindigkeitsverlauf ändern. Man
kann aber in jedem Fall vermeiden, daß eine maximale Beschleunigung überschritten
wird.
-
Wenn
man sowohl die Beschleunigung als auch die Geschwindigkeit überwachen
möchte,
dann wird der gewünschte
Bahnverlauf etwas komplizierter. Aus diesem Grunde ist eine Nachlaufsteuerung sinnvoll.
-
5 zeigt eine derartige Nachlaufsteuerung
in einer ersten Ausführungsform.
Ein Bahnkurvengenerator 11 erzeugt, wie oben beschrieben,
eine Bahnkurve, d.h. die einzelnen Positionen x über der Zeit, wie dies beispielsweise
in 4 dargestellt ist. Die
Steuerung weist einen direkt gekoppelten Teil auf, der ein inver ses
Modell 12 der Anbaueinrichtung 1 darstellt. Die Übertragungsfunktion
von xr (Vorgabe) auf x wird somit 1. Dies
bedeutet nicht zwangsläufig,
daß xr = x, und auch nicht, daß sich x dem Verlauf xr annähert.
Da aber das Anbausystem selbst instabil ist, wird zusätzlich eine
Positionsregelung verwendet mit einem Regler C. Diesem Regler C
wird die augenblickliche Position x der Last 4 zugeführt. Die
Wirkung dieser Maßnahme
ist, daß sich
x der Vorgabe xr annähert und daß das Regelungssystem robuster
gegenüber
Parameter-Variationen und Störungen
wird.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Modell der Anbaueinrichtung
angenähert
mit einer Konstanten und einem Integrator und zwar so, daß das inverse
Modell eine Konstante und ein Differenziator wird. Die Annäherung vereinfacht
die Regelung und sie ist ausreichend genau für maßvolle Beschleunigungen. Der
Regler C ist so ausgelegt, daß das
Regelsystem einen vorbestimmten Stabilitätsbereich hat.
-
Es
ist zweckmäßig, zwischen
der Abflußsteuerung 13,
die beispielsweise in 2 oder
in 3 dargestellt ist,
und dem System der Anbaueinrichtung 1 einen Totband-Kompensator 14 anzuordnen,
um ein Totband db zu kompensieren, das im Ventil 5 benötigt wird,
um Lastfühl-
und Pilotdruck-Signale passieren zu lassen. Das beschriebene System
kann natürlich
in beiden Richtungen verwendet werden, d.h. sowohl beim Anheben
als auch beim Absenken einer Last. Beim Anheben wird die Abflußsteuerung 13 keine
Rolle spielen.
-
Ein
alternatives Verfahren für
eine Kombination aus Abflußsteuerung
und Nachlaufsteuerung ist in 6 dargestellt.
Diese Ausgestaltung enthält
einen adaptiven Nachlaufregler. In diesem Fall wird eine Abflußsteuerung
nicht notwendigerweise benötigt,
wenn die Last konstant ist oder sich nur langsam ändert. Der
adaptive Regler adaptiert das inverse Modell des Systems der Anbaueinrichtung 1.