DE2822709A1

DE2822709A1 - Kombiniertes rueckkopplungsregelungssystem

Info

Publication number: DE2822709A1
Application number: DE19782822709
Authority: DE
Inventors: Richard P Heintz
Original assignee: Pneumo Corp
Current assignee: Pneumo Corp
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1979-01-11
Also published as: US4133250A; JPS6229642B2; CA1101524A; IL54353A; IL54353A0; BE868369A; JPS549391A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein kombiniertes Rückkopplungsregelungssystem für hydraulisch betriebene Positionssteuerung-Servoantriebe und insbesondere auf ein System, bei dem ein oder mehrere elektrohydraulische Ventile durch ein extern erzeugtes elektrisches Signal angesteuert werden können und bei dem elektrische Rückkopplungssignale erzeugt werden, um die Ausgangsposition zu regeln.

In einigen Fällen ist es erwünscht, in einem hydraulisch betriebenen Positionssteuerung-Servoan^trieb eine zusätzliche Leistungsverstärkung vorzusehen. Zu diesem Zweck wird der Fluidstrom von dem elektrohydraulischen Ventil (auch als EHV bezeichnet) dazu benutzt, um ein Hauptregelventil zu bewegen oder betätigen. Das Hauptregelventil steuert dann die Fluidverbindungen und somit den Fluidstrom zu dem Hauptkolben, um dessen Ausfahr- und Rückzugbewegungen zu steuern. Der Hauptkolben kann über eine mechanische Verbindungsvorrichtung mit einem externen Glied gekoppelt sein, um eine Positionssteuerung des letzteren vorzunehmen, wenn die Kolbenposition oder -Verlagerung gegenüber einer Bezugsposition verändert wird.

Eine herkömmliche Servosteuerungstechnik erfordert zwei Positionsrückkopplungswandler für ein solches leistungsverstärktes Servosystem, um ein stabiles Steuerungs- bzw. Regelungssystem zu erzielen. Einer dieser Wandler ist angekoppelt, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, das für die Position des Hauptkolbens bezeichnend ist. Der andere Wandler ist angekoppelt, um ein zweites Wandlersignal zu erzeugen, das für die Position des Hauptregelventils bezeichnend ist, wobei diese Position in bekannter Weise proportional zu der Geschwindigkeit des Hauptkolbens ist. Eine relativ komplizierte Steuer- bzw. Regelschaltung verwendet diese zwei Wandlersignale in separaten Rückkopplungsschleifen, um ein Servosteuerungs- bzw. -regelungssignal zu entwickeln, welches das elektrohydraulische Ventil betätigt.

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Typische elektrische Rückkopplungsschleifen für Fluid-Servovorrichtungen sind in den US-Patenten 2 964 059 sowie 3 390 613 dargestellt, während mechanische Rückkopplungsanordnungen für Fluidvorrichtungen in den US-Patenten 3 270 623, 3 487 750 und 3 540 350 aufgezeigt sind. Gemäß dem zuletztgenannten Patent werden Wandler angewendet, um die Betriebsfähigkeit gewisser Systemteile zu überwachen, wobei sie jedoch nicht als Vorrichtungen zur Rückkopplungssignalerzeugung benutzt werden. Auch wird gemäß diesem Patent der Hauptservoventilkolben, der Fluid zu einem Kolben liefert, in steuerbarer Weise von einem Hebel angetrieben, der angekoppelt ist, um auf den elektrohydraulischen Ventilmechanismus und auf Rückkopplungsinformation anzusprechen, die für die tatsächliche Kolbenposition bezeichnend ist. In ähnlicher Weise liefert gemäß den US-Patenten 3 487 750 und 3 270 623 ein an den Kolben angekoppelter Hebel mechanische Rückkopplungsinformation an einen Fluidverstärker eines elektrohydraulischen Ventils. Bei der Vorrichtung gemäß dem US-Patent 3 390 613 liefert ein Hebel mechanische Rückkopplungsinformation direkt an den Fluidverstärker am Eingang des elektrohydraulischen Ventils, und er erzeugt auch eine elektrische Rückkopplungsinformation, die für die Haupt kolbenverlagerung bezeichnend ist, um eine elektrische Steuerung des elektrohydraulischen Ventils vorzunehmen.

Bei den oben erwähnten repräsentativen vorbekannten Patenten ist die Rückkopplungsinformation nur für die Kolbenposition und nicht für die momentane Kolbengeschwindigkeit bezeichnend, die eine wesentliche Größe sein kann, wenn mit großer Trägheit behaftete Belastungen angetroffen werden. Darüber hinaus sind bei der bekannten herkömmlichen Regelschaltungsanordnung, die mehrere Wandler anwendet, wie entsprechende linear variable Differentialtrans formatoren (LVDT), welche eine Verlagerung bzw. Verschiebung und eine Geschwindigkeitsinformation berücksichtigen, mehrere Rückkopplungskanäle und relativ komplizierte elektronische Schaltungs maßnahmen erforderlich, um die Rückkopplungs- und Eingabeinformationen zu analysieren, so daß eine relativ teure Einrichtung vorliegt, die sich mit zunehmender Kompliziertheit als weniger zuver· lässig herausgestellt hat.

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten kombinierten Rückkopplungsregelungssystems für einen zweckmäßigeren Servoantrieb. Es sollen Positions- sowie Geschwindigkeitsinformationen in einem Servosystem kombiniert und die zusammengefaßte Information in elektrischer Form benutzt werden, um ein solches System über ein elektrohydraulisches Ventil zu betreiben. Es soll die Anzahl von Positionsrückkopplungswandlern reduziert werden, die erforderlich sind, um ein stabiles Steuerungs- bzw. Regelungsservosystem zu erzielen. Hierdurch sollen die· Kosten vermindert, die Leistungsfähigkeit sowie Zuverlässigkeit vergrößert und das Hinzufügen von Redundanzmerkmalen für solche Servosysteme erleichtert werden. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung soll es möglich sein, den Kolben eines Servosystems zu einer vorgewählten Position zurückzubewegen, wenn ein passives Ausfallen des elektrischen Eingangsventilmechanismus auftritt. Und schließlich sollen ein leichtes manuelles Steuern und/oder manuelles Übersteuern (override) eines Servosystems möglich sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein kombiniertes Rückkopplungsregelungssystem für einen Servoantrieb erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aus. Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen·

Bei dem erfindungsgemäßen hydraulisch betriebenen Positionssteuerungsservosystem werden die Vorteile einer elektrohydraulischen Steuerung und mechanischen Rückkopplung kombiniert. Ein einzelner mechanischer Rückkopplungshebelmechanismus kombiniert Rückkopplungsinformation, die für die Ausgangskolbenverlagerung und die Hauptregelventilverlagerung bezeichnend ist, wobei die letztere gleichzeitig für die Kolbengeschwindigkeit bezeichnend ist. Eine solche kombinierte mechanische Rückkopplungsinformation wird von einem einzelnen Wandler erfaßt, wie einem linear variablen Differentialtransformator (LVDT), um ein elektrohydraulisches Ventil (EHV) zu steuern, das seinerseits irgendeine notwendige Einstellung des Hauptregelventils bewirkt. Im einzelnen wird das Wandler signal mit einem Positionsbefehlssignal verglichen (off-set), um ein das elektrohydraulisch^ Ventil ansteuerndesSteuerungs- bzw. Regelungssignal zu entwickeln. - 8 -

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Da somit nur ein Ruckkopplungspositionswandler pro Servoantriebskanal und die hierfür benötigte relativ vereinfachte Schaltungsanordnung erforderlich sind, lassen sich die Positions- sowie Geschwindigkeitsüberwachungs- und -steuerungs- bzw. -regelungsfunktionen, die zuvor zwei solche Wandler und eine hiermit verbundene komplizierte Schaltungsanordnung erforderten, mit einer vergrößerten Leistungsfähigkeit sowie Zuverlässigkeit des Systems und mit verminderten Kosten erzielen. Diese Vorteile sind insbesondere in solchen Fällen wichtig, wo eine Vielzahl von Servokanälen und/ oder Wandlern in dem Servosystem angewendet wird, um eine einzelne Kolbenposition zu steuern bzw. zu regeln, und zwar in einer Weise, die auch nach einem Ausfallen einer der Komponenten eine kontinuierliche Steuerung bzw. Regelung bewirkt.

Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung betätigt ein an den Rückkopplungshebelaufbau angekoppelter elastischer Vorspannungsmechanismus den Rückkopplungshebelaufbau auch im Falle eines passiven Ausfallens des elektrohydraulischen Ventils. Eine solche Vorspannungsvorrichtung stellt sicher, daß der Kolben in eine vorgewählte Position zurückkehrt und dort gehalten wird.

Das Servoantriebssystem nach der vorliegenden Erfindung ist leicht für verschiedene Betriebsarten einer manuellen Steuerung verwendbar, beispielsweise in Abhängigkeit von manuell abgeleiteten oder gesteuerten elektrischen Positionsbefehlssignalen oder einfach manuell erzeugten mechanischen Eingangskräften, die die oben erwähnten federnden Vorspannungsmechanismen und/oder das elektrohydraulische Ventil übersteuern. Somit können für den Fall eines Ausfallens des Servosystems verschiedene manuelle Übersteuerungen vorgesehen werden.

Das kombinierte Rückkopplungsregelungssystem dient somit für einen Servoantrieb mit einem Kolben, der eine mechanische Verlagerungsausgangsgröße erzeugt, die durch das Positionsbefehlssignal vorgegeben wird. In dem kombinierten Rückkopplungsregelungssystem kombiniert der Hebelaufbau in mechanischer Weise die Verlagerungsund Geschwindigkeitsinformationen des Kolbens, wobei diese kombi-

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nierte Information zweckmäßig umgesetzt und elektrisch mit dem Positionsbefehlssignal kombiniert bzw. zusammengefaßt wird, um das Fehlersignal zu erzeugen, welches das elektrohydraulische Ventil steuert. Dieses wiederum steuert über die Fluidverstärkungsstufe die Fluidzufuhr zu dem Kolben und somit dessen Position. Über den Hebelaufbau wifktdie mechanische Ausfallsteuerung, um den Kolben bei einem Ausfallen des elektrohydraulischen Ventils zu einer vorbestimmten Position zu bewegen. Die manuelle Steuerung dient zum Steuern der Kolbenposition über die Fluidverstärkungsstufe.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zeichnerisch dargestellter Ausführungsformen, die lediglich beispielhaften Charakter haben. Es zeigen:

Figur 1 - in einer schematischen Darstellung, teilweise in Blockform, ein Servosystem, bei dem das kombinierte Rückkopplungsregelungssystem nach der vorliegenden Erfindung angewendet ist,
Figur 2 - in einem Blockdiagramm den Regelungsschleifen-Betriebsmechanismus des Systems aus Figur 1 und

Figur 3 - in einer schematischen Darstellung ein modifiziertes Servosystem mit einem kombinierten Rückkopplungsregelung-ssystem nach der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist ein Servosystem allgemein mit der Hinweiszahl 1 bezeichnet. Es enthält ein kombiniertes Rückkopplungsregelungssystem 2 nach der vorliegenden Erfindung, und dieses System bewirkt einen geregelten Betrieb eines Servoantriebs 3. Der letztere enthält einen Kolbenaufbau 4, der mit einer äußeren Vorrichtung gekoppelt werden kann, um an dieser Arbeit zu leisten. Im einzelnen hat der Kolbenaufbau 4 einen Hauptkolben 5, der in einem Hohlraum 6, welcher in einem allgemein fluiddichten Körper 7 ausgebildet ist, verschiebbar, vorzugsweise linear verschiebbar, angeordnet ist. Der Kolbenaufbau 4 hat ferner eine Ausgangsstange Io, die an den Kolben 5 angekoppelt ist und sich durch eine Öffnung 11 des Körpers 7 nach außen erstreckt, wobei sie an

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die äußere Vorrichtung anschließbar ist, um diese zu bewegen, wenn der Kolben in dem Hohlraum 6 bewegt wird. Eine solche Bewegung wird gewöhnlich in Abhängigkeit von dem kombinierten Rückkopplungsregelungssystem 2 und einem Eingabe-Positionsbefehlssignal erzielt, vorzugsweise einem elektrischen Signal, das von einer äußeren Einrichtung einer elektrischen Eingangsleitung 12 zugeführt wird, wie es noch näher beschrieben wird.

Der Servoantrieb 3 hat eine Verstärkungsstufe in Form eines Hauptregelventils 13, das in Abhängigkeit von einer Fluidsteuerung durch ein herkömmliches elektrohydraulisches bzw. EHV-Ventil 14 das Ablassen und Entlüften von hydraulischem Fluid zu dem Hohlraum 6 steuert, um den Kolben 5 zu bewegen oder an einer festen Position zu halten. Es ist festzustellen, daß nach der vorliegenden Erfindung zusätzliche Verstärkungsstufen oder auch keine Verstärkungsstufen benutzt werden können. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die Verwendung von hydraulischer Flüssigkeit beschrieben wird, ist festzustellen, daß auch andere Fluids angewendet werden können.

Das Hauptregelventil 13 und das elektrohydraulische Ventil 14, die einschließlich der entsprechenden dargestellten Hohlräume auch in dem Körper 7 ausgebildet und angeordnet werden können, können als der Fluideingangsmechanismus 15 betrachtet werden, der den Betrieb des Kolbenaufbaues 4 steuert. Das elektrohydraulische Ventil 14 enthält ein gesteuertes Fluidabgabesystem 16 zum Steuern der relativen Position eines Steuerkolbens 17 in einem Hohlraum 18 und einen elektrisch ansprechenden Steuerteil 2o zum Steuern des Fluidabgabesystems 16 in bekannter Weise in Abhängigkeit von einem Positionsfehlersignal, das über eine Steuerleitung 22 des kombinierten Rückkopplungsregelungssystems 2 beispielsweise einer Seite einer herkömmlichen Spule 21 zugeleitet wird. Die andere Seite der Spule 21 ist in herkömmlicher Weise über einen Anschluß 23 mit einer Quelle relativ konstanten Potentials verbunden, wie mit Masse- bzw. Erdpotential.

Das Hauptregelventil 13 hat einen Ventilschieber bzw. -körper 24,

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der in einem Hohlraum 25 in dem Körper 7 verschiebbar angeordnet ist und einen langgestreckten Steg bzw. verdickten Teil 26 enthält, durch den der Ventilkörper mechanisch mit dem Steuerkolben 17 des elektrohydraulischen Ventils für eine hierdurch erfolgende Bewegung verbunden ist. Ein Teil des langgestreckten Stegs 26 und weitere strömungssteuernde Stege bzw. verdickte Teile 27, 28 des Ventilkörpers 24 sind allgemein mit entsprechenden Druckmündungen 3o, 31, denen von einer nicht dargestellten herkömmlichen Quelle ein hydraulisches Druckfluid zugeführt wird, und mit einer Rückleitungsmündung 32 ausgerichtet, die entsprechend angekoppelt bzw. angeschlossen ist, um für ein Entlüften oder Zurückführen von Fluid zu der hierfür dienenden äußeren Quelle oder einem Behälter%orgen,wie es herkömmlich ist. Zwischen den verdickten bzw. tragenden Teilen oder Stegen 26,28 und 28,27 befinden sich entsprechende Nuten 33,34, die Strömungskammern 35,36 bestimmen.

/zu

Im Betrieb des Servoantriebs 3 veranlaßt ein Positionsfehlersignal an der Steuerleitung 22 das elektrohydraulische Ventil 14 dazu, den Steuerkolben 17 zu einer bestimmten Stelle in dem Hohlraum 18 zu bewegen.Wenn sich der Steuerkolben 17 in einer zentrierten oder neutralen Position befindet,blocken die Stege,26, 27, 28 in dem Hauptregelventil 13 die entsprechenden Druckmündungen 3o, 31 sowie die Rückleitungsmündung 32 ab, und der Kolben 5 wird in dem Kolbenaufbau 4 in einer fixierten Position gehalten. Wenn der Steuerkolben 17 und somit der Ventilschieber 24 des Hauptregelventils gemäß Figur 1 nach rechts bewegt werden, wird die Druckmündung 3o über die Strömungskammer 35 so angeschlossen, daß unter Druck stehendes hydraulisches Fluid durch einen Strömungspfad 4o in dem Körper 7 zu einer Ausfahrkammer 41 des Hohlraums 6 des Kolbenaufbaues abgelassen wird. Gleichzeitig wird eine Rückzugkammer 42 des Hohlraums 6 über einen Strömungspfad und die Strömungskammer 36 mit der Rückleitungsmündung 32 verbunden. Somit wird der Kolben 5 zu einer gemäß Figur 1 nach links gerichteten Bewegung veranlaßt, um die Ausgangsstange 1o relativ zu dem Körper 7 auszufahren. Wenn der Steuerkolben 17 und der Ventilschieber 24 aus der mittigen oder neutralen Position nach rechts bewegt werden, strömt in ähnlicher Weise hydraulisches

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Fluid von der Druckmündung 31 über die Strömungskaramer 36 und den Strömungspfad 43 zu der Rückzugkammer 42, während die Ausfahrkammer 41 über den Strömungspfad 4o und die Strömungskammer 35 mit der Rückleitungsmündung 32 verbunden wird. Dadurch wird eine nach rechts gerichtete Bewegung des Kolbens 5 begründet, was zu einem Abziehen oder Zurückziehen der Ausgangsstange Io in den Körper 7 führt.

Die relative Position oder Verlagerung des Kolbens 5 in dem Kolbenaufbau 4 wird durch den Buchstaben X dargestellt, während die relative Position oder Verlagerung des Ventilschiebers 24 des Hauptregelventils durch den Buchstaben Y dargestellt wird, wie es schematisch in Figur 1 dargestellt ist. Es ist festzustellen, daß die Geschwindigkeit, mit der sich der Kolben 5 bewegt, in einem proportionalen Zusammenhang mit der Verlagerung des Ventilschiebers 24 steht, wobei diese Verlagerung die Strömungsgeschwindigkeiten/des Fluids bestimmt, das zu dem Hohlraum 6 abströmen und von diesem zurückkehren kann. Es ist ersichtlich, daß der oben beschriebene Servoantrieb auch verschiedene Fluiddichtungsvorrich tungen, mechanische Halterungs-, Ausrichtungs- und Führungsvorrichtungen, Fluidverbindungsmittel und dergleichen enthalten kann, wobei alle diese Mittel herkömmlich sind und in üblicher

Weise angewendet werden können.

/bzw· -mengen

In dem kombinierten Rückkopplungsregelungssystem 2 ist ein Hebel 44 an einer Verbindung 45 mit der Ausgangsstange 1o, an einer Verbindung 47 mit einer Verlängerungsstange 46 des Ventilschiebers 24 und an einer Verbindung 49 mit einer Wandler-Verbindungsstange 48 gekoppelt, und zwar zum Kombinieren der Verlagerungen X des Kolbens 5 und Y des Ventilschiebers 24, um eine kombinierte Verlagerung S zu erzeugen, die über die Verbindungsstange 48 direkt an einen herkömmlichen elektromechanischen Wandler 5o angekoppelt ist, wie einen typischen linear variablen Differentialtransformator (linear variable differential transformer, LVDT). Im einzelnen ist die Verbindungsstange 48 direkt an einen beweglichen Kern 51 des Wandlers 5o angekoppelt, der auch primäre und sekundäre Wicklungen 52, 53 enthält. Ein Ende der primären Wick-

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lung 52 ist an eine herkömmliche Wechselstromquelle 54 angekoppelt, während das andere Ende über einen Anschluß 55 mit einer Quelle bekannten Potentials, wie relativen Masse- bzw. Erdpotentials, verbunden ist. Ein in der sekundären Wicklung 53 erzeugtes Wechselstrom-Wandlersignal, das von der relativen Position des Kerns 51 und der Wicklungen 52, 53 abhängt, stellt in proportionaler Weise die kombinierte Verlagerung bzw. Verschiebung S dar. Ein solches Wechselstrom-Wandlersignal wird über eine Wandlerausgangsleitung 56 zu einer herkömmlichen Demodulatorschaltung 57 geleitet, die das Wechselstrom-Wandlersignal in ein bevorzugtes Gleichstrom-Rückkopplungssignal umwandelt, das ebenfalls in proportionaler Weise die kombinierte Verlagerung bzw. Verschiebung S darstellt. Das Rückkopplungssignal wird über eine Rückführungsleitung 58 zu einer Summierverbindungsstelle 59 geleitet und dort von dem Eingabeposition-Befehlssignal X. abgezogen, das von einer äußeren Einrichtung an der Eingangsleitung 12 gebildet wird. Das durch eine derartige Zusammenfassung an der Summierverbindungsstelle 59 entstehende Signal wird durch einen herkömmlichen Verstärker 16 verstärkt, um an der Steuerleitung 22 das Positionsfehlersignal zu erzeugen, das nachfolgend als Y bezeichnet wird, da dieses Signal die Änderungsgröße der Verlagerung des Hauptregelventil-Ventilschiebers 24 darstellt, um eine entsprechende Änderung bezüglich der Verlagerung des Kolbens 5 zu bewirken.

Die Betriebsweise des Servosystems 1 zusammenfassend wird somit an der Summierverbindungsstelle 59 ein Eingabeposition-Befehlssignal X. an der Eingangsleitung 12 mit dem Rückkopplungssignal an der Leitung 58 kombiniert bzw. zusammengefaßt, um ein Positionsfehlersignal Y zu erzeugen. Dieses veranlaßt beispielsweise las elektrohydraulische Ventil 14, den Steuerkolben 17 und den Hauptregelventilschieber 24 nach links zu bewegen, um den Kolbe 5 und die Ausgangsstange 1o in der oben beschriebenen Weise zurückzuziehen. Eine solche nach links erfolgende Bewegung des Ventilschiebers 24 vermindert die Größe der kombinierten Verlagerung S, wobei der Kern 51 nach links bewegt wird. Ein Zurückziehen des Kolbens 5 führt zu einem weiteren Reduzieren der kombinierten Ver lagerung, wobei der Kern 51 weiter nach links bewegt wird. Eine

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solche Kernbewegung begründet schließlich eine ausreichende Änderung im Rückkopplungssignal an der Rückführungsleitung 58, so daß sich das resultierende Positionsfehlersignal Y einem Wert nähert, der den Ventilschieber 24 dazu veranlaßt, seine neutrale Position einzunehmen. Wenn sich der Ventilschieber 24 in einer solchen neutralen Position befindet, hat gewöhnlich der Kolben 5 eine Position oder Verlagerung erreicht, die derjenigen entspricht, welche durch das Eingabeposition-Befehlssignal X. vorgegeben wird. Es ist festzustellen, daß eine ähnliche Betriebsweise des Servosystems 1 auftritt, wenn es erwünscht ist, den Kolben 5 auszufahren und ihn in einer fixierten Position zu halten, während sich die durch die äußere Vorrichtung aufgebrachten Kräfte ändern können, eine Fluidleckerscheinung auftreten kann usw.

Es wird nunmehr eine mathematische Analyse des Betriebsservosystems aus Figur 1 kurz beschrieben. Die durch den Wandler 5o gemessene Wandlerverlagerung oder kombinierte Verlagerung bzw. Verschiebung S kann wie folgt angegeben werden:

L₁ + L

(D da)

S = _L χ +
^L2

+ L

S =

X + Y) ;

Hierbei sind X die tatsächliche Verlagerung oder relative Position des Kolbens 5, Y die tatsächliche Verlagerung oder relative Position des Ventilschiebers 24, proportional zu der tatsächlichen Kolbengeschwindigkeit X, L- sowie L₂ die längs des kombinier ten Rückführungshebels 44 zwischen den entsprechenden Paaren von Verbindungen 45, 47, 49 gemessenen Abstände, wie es aus Figur 1 ersichtlich ist. Die Gleichung 1 kann wie folgt umgeschrieben werden:

(2)

+ L

S =

X + Y;

Hierbei werden L₁ und L₀ sowie ihre entsprechenden Verhältnisse als Konstanten betrachtet.

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Das Verlagerungsfehler- oder Positionsfehlersignal Y des Ventilschiebers 24 oder der Wert, um den der Ventilschieber vorzugsweise zu bewegen ist, damit eine erwünschte Position desselben für eine entsprechende Bewegung des Kolbens 5 erzielt wird, beträgt:

Y_e =

- Y

Hierin stellt Y. die Position des Ventilschiebers 24 dar, die erwünscht ist, um eine relativ prompte und wirkungsvolle Bewegung des Kolbens 5 zu der Position zu erzielen, die durch X. gefordert wird, nämlich das Eingabeposition-Befehlssignal. Darüber hinaus gilt:

Y = — χ
^{1 V}m

Hierin sind Y die maximale oder Nennverlagerung des Ventilschiebers 24, V_m die entsprechende maximale oder Nenngeschwindigkeit des Kolbens 5, was beispielsweise von der Reibung, Trägheit usw. abhängt, wobei das Verhältnis Y_m/V_m eine Proportionalitätskonstante ist und X₁ die erwünschte Geschwindigkeit des Kolbens für eine entsprechende Verlagerung des Ventilschiebers 24 darstellt. Ferner gilt:

^Yi ⁼ V^ ^KL ^Xe
m

Hierin sind Kj. die Gesamtverstärkung des Servosystems 1 und X der Verlagerungsfehler des Kolbens 5 oder der Wert, um den er bewegt werden muß, damit eine erwünschte Kolbenposition erzielt wird. Es ist ersichtlich, daß die erwünschte Kolbengeschwindigkeit X₁ proportional zu der Fehlerverlagerung bzw. dem Verlagerungsfehler des Kolbens und zu der Systemverstärkung ist. Auch gilt:

TC V

(X₁ - X)

Hierin stellt X₁ die erwünschte Position des Kolbens dar, das heißt das Eingabeposition-Befehlssignal, so daß es ersichtlich ist, daß der Verlagerungsfehler X aus Gleichung 4a gleich der

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Differenz zwischen den erwünschten und den tatsächlichen Kolbenverlagerungen bzw.-verschiebungen ist.

Durch Einsetzen des Wertes von Y. aus den Gleichungen 4 in die Gleichung 3 ergibt sich:

K₁. Y K₇. Y

m ν - ^{L m} χ - ^{L m} x-y

is; *e - V i ν

m m

Die Systemverstärkung K,- und die Nennwerte Y und V sind in dem System Konstanten, die von den jeweils benutzten Komponenten abhängen. Darüber hinaus sind auch die Werte von L^ und L^ jeweilig konstant, doch können diese Werte getrennt ausgewählt werden, und zwar durch die Stellen am kombinierten Rückführungshebel 44, an denen die Verbindungen 45, 47, 49 hergestellt werden. Deshalb kann das Verhältnis L-j/CL-j+I^) gleich dem Verhältnis ^Ki¥_m/V_m gemacht werden. Wenn dann dieser Ausdruck in die Gleichung 5 eingesetzt wird, ergibt sich hieraus:

K₁. Y_m L₁
(6) Y_e= -V^{5 X}i-L74-L7 ^X~^Y

m 1 2
Durch eine Substitution von Gleichung 2 ergibt sich:

Dementsprechend kann die einzelne tatsächlich kombinierte Verlagerung bzw. Verschiebung S in wirksamer Weise die beiden tatsächlichen Verlagerungen bzw. Verschiebungen X und Y ersetzen, um die erwünschte Steuerungsfunktion zu bewirken. Indem somit in Übereinstimmung mit der Gleichung 6a der Wert S und die erwünschte oder befohlene Kolbenposition oder -Verlagerung X., das heißt das Eingabeposition-Befehlssignal, in Beziehung gesetzt werden, können die Fehlerverlagerung des Ventilschiebers 24 bestimmt und eine Korrektur des Fehlers bewirkt werden, um eine wirksame Bewegung des Kolbens 5 zu seiner befohlenen Position zu erzielen. Eine solche, oben mathematisch beschriebene Betriebsweise des Servosystems 1 aus Figur 1 ist in dem Blockdiagramm aus Figur 2 dargestellt.

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Gemäß diesem Blockdiagramm wird das Eingabeposition-Befehlssignal X₁ in Übereinstimmung mit der im Block 65 dargestellten Gesamtverstärkung K_L des Systems und der im Block 66 dargestellten Proportionalitätskonstanten Y_m/V_m behandelt, um somit an einer Leitung 67 an einem Eingang einer Summierverbindungsstelle 6 8 den ersten Ausdruck aus Gleichung 6a zu erzeugen. Der zweite Ausdruck aus Gleichung 6a wird an einer Leitung 69 zu der Summierverbindungsstelle 68 geleitet und von dem ersten Ausdruck abgezogen, um hierdurch das Ventilschieber-Positionsfehlersignal Y an einer Leitung 7o zu erzeugen. Der zweite Ausdruck wird dadurch abgeleitet, daß das Positionsfehlersignal Y_q mit dem Verstärkungsfaktor K_LY des elektrohydraulischen Ventils 14 gemäß der Darstellung am Block 71 beaufschlagt wird, um den Ventilschieber 24 mit der Geschwindigkeit Y zu bewegen, wie es an einer Leitung 72 dargestellt ist. Die Ventilschiebergeschwindigkeit Y wird wirksam integriert, beispielsweise durch die Verlangerungsstange 46 und den Hebel 44, wie es im Block 73 dargestellt ist, um die tatsächliche Verlagerung bzw. Verschiebung Y des Ventilschiebers 24 abzuleiten, wie es an einer Leitung 74 dargestellt ist. Der Wert Y wird mit der Proportionalitätskonstante V_m/Y_m beaufschlagt, um die in Abhängigkeit von einer solchen Verlagerung Y des Ventilschiebers 24 erwartete Geschwindigkeit X des Kolbens 5 abzuleiten, wobei diese Größen im Block 75 und an einer Leitung 76 dargestellt sind. Die Kolbengeschwindigkeit X wird integriert, beispielsweise durch die Ausgangsstange 1o und den Hebel 44, wie es am Block 77 dargestellt ist, um den tatsächlichen Verlagerungs- bzw. Verschiebungswert X des Kolbens abzuleiten, wobei es sich um die auf die äussere Vorrichtung einwirkende Systemausgangsgröße handelt, die durch einen Pfeil 78 dargestellt ist.

Der Wert X wird mit dem Verhältnis L₁Z(L^L₃) beaufschlagt, das gleich der Systemverstärkung K₁Y-/^ ist, wie es im Block 79 dargestellt ist, wodurch der Einfluß der Verlagerung bzw. Verschiebung X auf die kombinierte Verlagerung bzw. Verschiebung S entsprechend den Stellen der verschiedenen Verbindungen mit dem Hebel 44 bewertet wird. Der auf diese Weise bewertete Wert an der Leitung 80 und der Wert Y an der Leitung 74 werden in einer Sum-

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mierverbindungsstelle 81 kombiniert bzw. zusammengefaßt, um an der Leitung 69 den zweiten Ausdruck aus Gleichung 6a zu erzeugen.

Aus qualitativer Sicht ist es nunmehr klar, daß die kombinierte Verschiebung S eine bestimmte Kombination der in dem Servosystem 1 benutzten separaten Rückführungen bzw. Rückkopplungen darstellt Dementsprechend offenbaren die oben beschriebene mathematische Analyse und die Beschreibung des Blockdiagramms aus Figur 2 in steuerungs- bzw. regelungstechnischer Hinsicht vollständig die analytische Betriebsweise des Servosystems 1 einschließlich des kombinierten Rückkopplungsregelungssystems 2 desselben. An dieser Stelle ist jedoch festzustellen, daß die vorstehende Beschreibung und Analyse davon ausgehen, daß der Wert des Ausdrucks Κ^Υ-,/ν kleiner als Eins ist, da ^Y^/v^ = L₁/(L₁+L₂) ^ 1 ist. Nichtsdestoweniger könnte das Servosystem 1 aus Figur 1 dann, wenn ein solcher Ausdruck größer als Eins wäre, zu der Form des in Figur dargestellten Servosystems 1' umgebaut oder modifiziert werden. In Figur 3 bezeichnen die mit einem Apostroph versehenen Bezugszeichen Teile, die in ihrer Art und Funktion denjenigen Teilen entsprechen, welche in Figur 1 mit ähnlichen Hinweiszahlen ohne Apostroph bezeichnet sind. Die Betriebsweise des Servosystems 1', einschließlich des kombinierten Rückkopplungsregelungssystems 2' und des Servoantriebs 3', entspricht im wesentlichen der unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Betriebsweise des Servosystems 1. Somit sorgt der Fluideingangsmechanismus 15' in Abhängigkeit von dem kombinierten Rückkopplungsregelungssystem 2', das beispielsweise den Hebel 44", den Wandler 5o', den Demodulator 57·, die Summierverbindungsstelle 59' und den Verstärker 6o' enthält, für eine verstärkte Steuerung der Verlagerung bzw. Verschie· bung des Kolbens 5'.

Gemäß den Figuren 1 und 3 ist ein Ausfallsteuermechanismus 85,85' der eine eingespannte (caged) Feder 86,86' enthält, durch ein festes Zwischenstück 87,87' an die Wandler-Verbindungsstange 48,48 angekoppelt. Bei einem passiven Ausfallen des elektrohydraulischen Ventils 14,14' kann der Kolben 5 zu einer vorgewählten Posi tion zurückgeführt werden, die durch die eingespannte Feder be-

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stimmt wird. Dementsprechend bewegt beispielsweise bei einem solchen passiven Ausfallen die eingespannte Feder 86 die Verbindung 49 des Hebels 44, um das Hauptregelventil 13 zu betätigen, was wiederum zu einem Bewegen des Kolbens 5 zu der vorgewählten Position führt. Darüber hinaus führt die eingespannte Feder 86 dazu, daß ein fortgesetzter Betrieb des Servoantriebs 3 in einer servogesteuerten Betriebsart auch in Abhängigkeit von veränderlichen Belastungen an der Ausgangsstange 1o bewirkt wird. Somit unterscheidet sich der Ausfallsteuermechanismus 85 wesentlich von herkömmlichen Systemen, bei denen eine direkt an das Hauptregelventil angekoppelte eingespannte (caged) Feder benutzt wurde, um den Kolben an irgendeiner Position zu halten, die vor dem Auftreten des passiven Ausfallens vorherrschte; eine solche Kolbenposition neigt in Abhängigkeit von einer einwirkenden äußeren Belastung zu einem Driften, so daß keine Servofunktion vorgesehen wird.

Eine kombinierte manuelle und elektrische Steuerung für die Servosysteme 1, 1' in den Figuren 1 und 3 kann zweckmäßigerweise durch die dargestellte manuelle Steuerung 9o,9o' vorgesehen werden. Diese enthält beispielsweise eine Hebelarmstange 91, die um eine Anlenkung 92 schwenkbar angebracht ist,und ein Paar von versetzten Steuerarmen 93, 94, die angebracht sind, um mit einem an der Wandler-Verbindungsstange 48 angebrachten festen Zwischenstück 95 zur Kraftübertragung in Anlage zu kommen.

Wie es in Figur 3 dargestellt ist, kann die Stange 91' beispielsweise mechanisch mit einem weiteren Wandler 96' verbunden sein, wie einem herkömmlichen linear variablen Differentialtransformator (LVDT), der in herkömmlicher Weise zum Erzeugen des erwünschten Eingabeposition-Befehlssignals X_±, beispielsweise eines Gleichspannungspegels, benutzt werden kann. Ein ähnlicher Aufbau kann bei der Stange 91 angewendet werden, so daß irgendeine der Stangen manuell bewegt werden kann, um ein elektrisches Erzeugen des Eingabeposition-Befehlssignals zu bewirken, während die versetzten Steuerarme 93, 94, 93", 94' normalerweise von den entsprechenden festen Zwischenstücken 95, 95' entfernt bzw. getrennt bleiben. Um beispielsweise ein manuelles Übersteuern des Servosy- - 20 -

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steins 1 zu erzielen, kann die Stange 91 von der Bedienungsperson der das Servosystem 1 anwendenden Einrichtung manuell um die Anlenkung 92 verschwenkt werden, und zwar mit einer ausreichenden Kraft zum Überwinden der von der gehaltenen bzw. eingespannten Feder 86 ausgeübten Kraft und der Kräfte an dem Ventilschieber des Hauptregelventils. Ein solches manuelles übersteuern bewirkt ein manuelles Betätigen bzw. Betreiben des Ventilschiebers 24, was wiederum zu einer Bewegung des Kolbens 5 führt.

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Claims

G 51 388 -su

Pneumo Corporation, 4800 Prudential Tower,
Boston, Massachusetts, 02199 (USA)

Kombiniertes Rückkopplungsregelungssystem

Patentansprüche

M J Kombiniertes Rückkopplungsregelungssystem für einen Servoantrieb, gekennzeichnet durch Kolbenmittel (4, 5; 4', 5¹) zum
Erzeugen einer Verlagerungs-Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einer Fluid-Eingangsgröße, durch Eingangsmittel (12, 12") zum Empfangen eines Positionsbefehlssignals (Xi), das für eine erwünschte Verlagerung der Kolbenmittel (4, 5; 4¹, 5') bezeichnend ist, durch elektrisch betätigbare Mittel (14, 14') zum
Steuern der Fluidabgabe an die Kolbenmittel (4, 5; 4', 5¹) und somit der Position derselben in Abhängigkeit von einem Fehlersignal (Ye), durch Hebelmittel (44, 44") zum mechanischen Kombinieren von Verlagerungs- und Geschwindigkeitsinformation der Kolbenmittel (4, 5; 4", 5¹) zwecks Erzeugung einer diesbezüglichen kombinierten Information, durch Wandlermittel (5o, 5ο¹) zum Erzeugen eines für eine solche kombinierte Information bezeichnenden elektrischen Rückkopplungssignals und durch Zusammenfassungsmittel (59, 59') zum elektrischen Kombinieren eines solchen Positionsbefehlssignals (Xi) und eines solchen Rückkopplungssignals zum Entwickeln des Fehlersignals (Ye).
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Hauptregelventilmittel (13, 13'), die auf Fluid von den elektrisch betätigbaren Mitteln (14, 14■) ansprechen, um Fluid zu den Kolbenmitteln (4, 5; 4', 5¹) zu leiten und von diesen zurückzuleiten.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13, 13') einen zu der Geschwindigkeit der
Kolbenmittel (4, 5; 4¹, 5') proportionalen mechanischen Verlagerungsparameter enthalten.

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ORIGINAL INSPECTED
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13, 13') ein Schieberventil (spool valve) und die elektrisch betätigbaren Mittel ein elektrohydraulisches Ventil (14, 14') zum Steuern der Position des Ventilschiebers (24, 24') des Schieberventils aufweisen.
5. System nach einem der Ansprüche 1-4, insbesondere nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch Kupplungsmittel (1o, 46; 1ο¹, 46') zum Ankoppeln der Hebelmittel (44, 44") an die Kolbenmittel (4, 5; 4', 5') sowie die Hauptregelventilmittel (13, 13'), um die entsprechenden mechanischen Verlagerungen bzw. Verschiebungen derselben zu kombinieren.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmittel Mittel (48, 48') zum Ankoppeln der Hebelmittel (44, 44") an die Wandlermittel (5o, 5o') enthalten.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13) ein Schieberventil (spool valve) mit einem verschiebbaren Ventilschieber (24) aufweisen und daß die Kupplungsmittel Mittel (46, 47) enthalten, die den Ventilschieber (24) mit den Hebelmitteln (44) verbinden, und zwar an einer Stelle längs der Hebelmittel (44) zwischen Verbindungen (45, 49) der Hebelmittel (44) mit den Kolbenmitteln (4, 5) und mit den Wandlermitteln (5o).
8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13') ein Schieberventil (spool valve) mit einem verschiebbaren Ventilschieber (24') aufweisen und daß die Kupplungsmittel Mittel (1ο¹, 45') enthalten, die die Kolbenmittel (5¹) mit den Hebelmitteln (44·) verbinden, und zwar an einer Stelle längs der Hebelmittel (44') zwischen Verbindungen (47', 49') der Hebelmittel (44') mit dem Ventilschieber (24') und mit den Wandlermitteln (5ο¹).
9. System nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch betätigbaren Mittel ein elektrohydraulisches Ventil (14, 14') aufweisen. - 3 -

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10. System nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlermittel (5o, 5o') einen linear variablen Differentialtransformator (linear variable differential transformer) aufweisen.
11. System nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfassungsmittel eine elektrische Summierverbindungsstelle (59, 59') aufweisen.
12. System nach einem der Ansprüche 1-11, ferner gekennzeichnet durch Hauptregelventilmittel (13, 13') zum fluidischen Verstärken einer Fluid-Ausgangsgröße der elektrisch betätigbaren Mittel (14, 14').
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13, 13') ein Schieberventil (spool valve) mit einem Ventilschieber (24, 24") aufweisen, der in Abhängigkeit von der Fluid-Ausgangsgröße von den elektrisch betätigbaren Mitteln (14, 14') bewegbar ist, und daß ferner Ausfallsteuermittel (85, 85") vorhanden sind, die die Hebelmittel (44, 44') und somit den Ventilschieber (24, 24') bei einem Ausfallen der elektrisch betätigbaren Mittel (14, 14') zu vorbestimmten Relativpositionen drängen, um hierdurch die Kolbenmittel (4, 5; 4¹, 5") zu einer vorbestimmten Verlagerung zu bewegen und dort zu halten.
14. System nach einem der Ansprüche 1-13, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptregelventilmittel (13, 13') ein Schieberventil mit einem Ventilschieber (24, 24') aufweisen, der in Abhängigkeit von der Fluid-Ausgangsgröße von den elektrisch betätigbaren Mitteln (14, 14") bewegbar ist, und daß ferner Mittel (9o) zum manuellen mechanischen Verlagern der Hebelmittel (44, 44") vorhanden sind, um eine Bewegung des Ventilschiebers (24, 24') und somit der Kolbenmittel (4, 5; 4¹, 5¹) zu manuell gesteuerten Positionen der letzteren zu bewirken.

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15. System nach einem der Ansprüche 1-14, ferner gekennzeichnet durch Ausfallsteuermittel (85, 85') zum Bewegen der Kolbenmittel (4, 5; 4', 5¹) zu einer vorbestimmten Position bei einem Ausfallen der elektrisch betätigbaren Mittel (14, 14').
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfallsteuermittel (85, 85·) an die Hebelmittel (44, 44') angekoppelte Vorspannungsmxttel (86, 86·) aufweisen, die dazu dienen, die Hebelmittel (44, 44') zu beaufschlagen und somit die Bewegung der Kolbenmittel (4, 5; 4', 5¹) zu der vorbestimmten Position zu begründen und die Kolbenmittel (4, 5; 4', 5') an dieser Position zu halten.
17. System nach einem der Ansprüche 1-16, ferner gekennzeichnet durch Mittel (9o, 9o") zum manuellen Steuern der Verlagerung bzw. Verschiebung der Kolbenmittel (4, 5; 4', 5').
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9o, 9o') zum manuellen Steuern Mittel zum Erzeugen einer mechanischen Verlagerungs-Ausgangsgröße und Wandlermittel (96, 96·) zum Erzeugen eines solchen Positionsbefehlssignals aufweisen, das für die mechanische Verlagerungs-Ausgangsgröße bezeichnend ist.
19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9o, 9o") zum manuellen Steuern Mittel zum mechanischen Bewegen der Hebelmittel (44, 44') aufweisen, um eine solche manuelle Steuerung der Verlagerung bzw. Verschiebung der Kolbenmittel (4, 5; 4', 5') durchzuführen.

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