DE3708826A1 - Steuerkreis fuer ein proportional geregeltes elektrohydraulisch betaetigtes ventil - Google Patents
Steuerkreis fuer ein proportional geregeltes elektrohydraulisch betaetigtes ventilInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis für ein
proportional geregeltes, elektro-hydraulisch betätigtes
Flüssigkeitsregelventil. Derartige proportionale, elek
tro-hydraulische Regelventile sind üblicherweise so ge
staltet, daß die Menge oder der Druck eines strömenden
Mediums mittels eines sogenannten offenen Regelkreises
gesteuert werden, und zwar durch eine selbstanpassende
Funktion im Ventil in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
Eingangssignal für die elektrische Regeleinrichtung. Da
bei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, wenn die Strö
mungsmenge oder der Druck sich durch äußere Bedingungen,
wie z.B. einer Temperaturänderung des strömenden Me
diums, verändern. Es sind daher schon Versuche gemacht
worden, diese Nachteile auszuschalten, wie das z.B. in
der US-PS 42 85 639 beschrieben ist. Danach wird die
Strömungsmenge oder der Druck durch einen entsprechenden
Meßfühler als elektrisches Signal gemessen und in das
elektrische Regelsystem zurückgeführt, wodurch ein ge
schlossener Regelkreis gebildet wird, um gegenüber Ände
rungen der äußeren Bedingungen die Gleichförmigkeit der
Regelung zu verbessern.
Bei Verwendung eines solchen geschlossenen Regelkreises
besteht jedoch die Gefahr einer Verschlechterung der Lei
stungsfähigkeit gegenüber einem offenen Regelkreis, ab
hängig vom tatsächlichen Betriebszustand des elektrischen
Systems und des Druckflüssigkeitssystems der Ventils.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Steuer
kreis für ein proportional geregeltes elektro-hydraulisch
betätigtes Ventil zu finden, der so ausgestaltet ist, daß
die vorstehend genannten Nachteile eines herkömmlichen
geschlossenen Regelkreises überwunden und das Auftreten
von Druckschwankungen durch zeitweises Unterbrechen der
Druckversorgung oder einen Funktionsausfall des Meßfüh
lers oder andere Störungsfälle verhindert werden, damit
stets eine sichere Regelung gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird zunächst von einem Steuer
kreis ausgegangen, bei dem der Druck oder die Menge einer
Flüssigkeit als elektrisches Signal gemessen werden, wo
bei Druck oder Menge nach Maßgabe einem elektrischen
Steuersignals über ein proportionales elektro-hydrauli
sches Regelventilgeregelt werden, wobei das gemessene
Signal zu einer elektrischen Regeleinrichtung für das Re
gelventil zurückgeführt wird, um die Größe des elektri
schen Steuersignals in einen geschlossenen Regelkreis
einzuführen und zwar entsprechend einer Signalabweichung
zwischen dem vorgegebenen Eingangssignal für die elektri
sche Regeleinrichtung und dem gemessenen Signal. Erfin
dungsgemäß sind dabei Regelkreisumschaltmittel für die
Umschaltung des Regelverfahrens für das elektrische Steu
ersignal von (a) einem geschlossenen Regelkreis nach Maß
gabe der Signalabweichung in (b) einen offenen Regelkreis
nach Maßgabe des vorgegebenen Eingangssignals vorgesehen,
sobald die Signalabweichung eine vorgegebene Höhe über
schreitet.
Entsprechend dem Steuerkreis des proportionalen elektro
hydraulischen Regelventils wird ein Abnehmen des Betrages
des rückgeführten Signals als Zunahme der Signalabwei
chung durch den Umschaltkreis erfaßt, so daß die Steue
rung von einem geschlossenen Regelkreis zu einem offenen
Regelkreis umgeschaltet wird, wenn die Signalabweichung
einen gewissen Betrag überschreitet und wobei der ge
schlossene Regelkreis wieder hergestellt wird, wenn die
Signalabweichung auf ein niedriges Niveau zurückkehrt.
Damit ergibt der offene Regelkreis während eines Ein
schwingvorganges eine Regelung mit einem hervorragenden
Übergangsverhalten ohne abnorme Schwankungen, während im
Beharrungszustand der geschlossene Regelkreis eine
äußerst präzise Regelung ergibt, wodurch die Regelquali
tät verbessert wird.
Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wir
kungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung
näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbei
spieles nach der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbei
spieles;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungs
beispieles;
Fig. 4 ein Blockdiagramm für ein typisches Beispiel
eines herkömmlichen offenen Regelkreises;
Fig. 5a-5d
Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des
herkömmlichen offenen Regelkreises bei Auftreten
eines Fehlers unter Darstellung des zeitlichen
Verlaufs eines vorgegebenen Eingangsignals,
eines Regelsignals, der Druckversorgung und der
Drucksteuerung;
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Bei
spieles für einen herkömmlichen geschlossenen
Regelkreis und
Fig. 7a-7e Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise eines
herkömmlichen geschlossenen Regelkreises bei
Auftreten eines Fehlers unter Darstellung des
zeitlichen Verlaufs des vorgegebenen Eingangsig
nals, des Regelsignals, des Druckverlaufs, des
geregelten Drucks und der Signalabweichung.
Bevor bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung er
läutert werden, sollen Beispiele herkömmlicher Regelkrei
se dieses Typs unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben werden, um die Erfindung anschließend besser
verstehen zu können.
ln Fig. 4 ist ein typisches Konstruktionsbeispiels eines
proportional geregelten elektro-hydraulisch betätigten
Regelventils mit offenem Regelkreis dargestellt, mit dem
eine Drucksteuerung vorgesehen ist. Nach der Zeichnung
wird ein vorgegebenes Eingangssignal V von einem Ein
gangssignalgeber 41 in einen Leistungsverstärker 42 ein
gegeben, dessen Ausgangsstrom i als elektrisches Steuer
signal an die nicht näher dargestellten elektromagneti
schen Antriebe beispielsweise eines proportionalen elek
tro-hydraulischen Mengen- (oder Druck-) Regelventils 43
eingeführt wird, wobei ein Druck PS einer Flüssigkeits
druckquelle 44 in Abhängigkeit des Ausgangsstromes i in
einen geregelten Druck PL umgesteuert wird. Bei diesem
Typ eines offenen Regelkreises, bei dem das vorgegebene
Eingangssignal V entsprechend Fig. 5a und auch das Steu
ersignal i entsprechend Fig. 5b konstant sind, wird,
wenn der Versorgungsdruck PS aus irgendwelchen Gründen
entsprechend Fig. 5c zeitweise unterbrochen ist, der ge
regelte Druck PL einen Verlauf entsprechend Fig. 5d an
nehmen, so daß, wenn der Versorgungsdruck PS wieder sein
ursprüngliches Niveau erreicht, der geregelte Druck PL
unmittelbar folgt oder mit einer geringen Überschwingung
in seiner Wellenform reagiert.
Bei einem geschlossenen Regelkreis ergibt die Untersu
chung dieser Bedingung folgendes Ergebnis.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer typischen Konstruktion
eines proportionalen elektro-hydraulischen Regelventils
mit geschlossenem Regelkreis, bei dem ebenfalls bei
spielsweise eine Druckregelung vorgesehen ist. ln der Fi
gur wird ein Ausgangsstrom i von einem Leistungsverstär
ker 62 als elektrisches Signal zu den nicht näher darge
stellten elektro-magnetischen Antrieben beispielsweise
eines proportionalen, elektro-hydraulischen Regelventils
63, geführt, das wiederum den Druck PS einer Flüssigkeit
von einer hydraulischen Druckquelle 64 in einen Druck PL
drosselt, und zwar in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom i,
wobei der Druck PL als elektrisches Signal von einem
Druckmeßfühler 65 gemessen wird. Eine Signalabweichung ε,
die die Differenz zwischen diesem elektrischen Signal
und einem vorgegebenen Eingangssignal Vref vom Eingangs
signalgeber 61 repräsentiert, wird von einem Addierglied
66 erzeugt und als Eingangssignal zum Leistungsverstärker
62 über ein Abweichungsrechenglied 67 geführt, wodurch
der geschlossene Regelkreis unter Rückführung des Druck
signals geschlossen ist. Unter Berücksichtigung der Wir
kung einer gleichartigen Unterbrechung der Flüssigkeits
quelle auf diesen geschlossenen Regelkreis, wie zum vor
hergehenden Ausführungsbeispiel erwähnt, zeigt Fig. 7a
das vorgegebene Eingangssignal Vref, während der geregel
te Druck PL wird auf einem Druckwert gehalten wird, der
dem vorgegebenen Eingangssignal Vref entspricht, solange
die Flüssigkeitsversorgung von der Flüssigkeitsdruck
quelle 64 normal ist. Wenn dagegen der Versorgungsdruck
PS zeitweilig unterbrochen ist und anschließend wieder
ansteigt, wie das in Fig. 7c gezeigt ist, wird der gere
gelte Druck PL eine Druckschwankung mit einer großen
Überschwingung entsprechend Fig. 7d aufweisen. Der Grund
ist folgender. ln dem geschlossenen Regelkreis bewirkt
eine Unterbrechung des Versorgungsdruckes PS elektrisch
die Messung einer großen Signalabweichung e, wie in
Fig. 7e gezeigt ist, so daß der Strom i in einer Richtung
anwächst, die den geregelten Druck PL anwachsen läßt und
evtl. den Ausgangsstrom i des Leistungsverstärkers 62 bis
zur Sättigungsgrenze ansteigen läßt. Wenn unter dieser
Bedingung der Versorgungsdruck PS wieder hergestellt ist,
wird der geregelte Druck PL unnötigerweise ansteigen, wo
durch sich eine Schwingung über eine Zeitdauer ergibt,
die durch die Ansprech-Charakteristik des Regelkreises
bestimmt ist. Dieses Phänomen tritt auch bei ähnlichen
Erscheinungen auf, z.B. wenn der Druckmeßfühler 65 seine
Funktion einstellt als Folge einer Unterbrechung seiner
Stromversorgung. Ferner wird eine solche unnormale Druckschwingung
aus dem gleichen Grund beispielsweise bei
einer Druckrückführungsregelung eines Überströmventils
verursacht, wenn die Last groß ist und ein plötzlicher
Strömungsverlust auftritt, bei dem der verbleibende Druck
unter den vorgegebenen Druck absinkt.
Zurückkommend auf Fig. 1, in der ein Blockdiagramm der
Konstruktion eines ersten Ausführungsbeispiels nach der
Erfindung dargestellt ist, regelt ein proportionales
elektro-hydraulisches Regelventil den Druck einer Flüs
sigkeit von einer Flüssigkeitsdruckquelle 14, und zwar
abhängig vom Ausgangsstrom eines Leistungsverstärkers 12.
Der geregelte Druck PL wird als elektrisches Signal von
einem Druckmeßfühler 15 gemessen und als Rückführungssig
nal dem Addierglied 16 zugeführt. Das Addierglied 16 er
mittelt die Differerenz oder Abweichung ε zwischen dem
Eingangssignal von einem Signalgeber 11 und dem rückge
führten Signal und führt es zu einem Abweichungsrechen
glied 17. Das Abweichungsrechenglied 17 erzeugt ein Steu
ersignal i, das der Signalabweichung ε entspricht. Die
Signalabweichung ε wird auch auf einen Komparator 10 ge
schaltet, der wiederum die Signalabweichung ε mit einem
Referenzwert aus einer voreingestellten Justiervorrich
tung 18 vergleicht. Wenn die Signalabweichung ε größer
als das Referenzsignal ist, liefert der Komparator 10 ein
Schaltsignal an den Schalter 19. Wenn kein Schaltsignal
auftritt, führt der Komparator 10 das Steuersignal i vom
Abweichungsrechenglied 17 über den Verstärker 12 a zum
Leistungsverstärker 12 und bestimmt damit den geschlos
senen Regelkreis. Solange aber ein Schaltsignal ansteht
und damit der Schalter 19 umgeschaltet ist, wird das vor
gegebene Eingangssignal vom Eingangssignalgeber 11 an
stelle des Steuersignals i direkt zum Leistungsverstärker
12 über den Verstärker 12 a geführt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, solange der Versor
gungsdruck PS von der Flüssigkeitsdruckquelle 14 normal
und im Beharrungszustand ist, das Steuersignal i über den
Schalter 19 direkt zum Leistungsverstärker 12 über den
Verstärker 12 a geführt, womit das Ventil in einem ge
schlossenen Regelkreis arbeitet. Wenn aber z.B. die Flüs
sigkeitszufuhr von der Flüssigkeitsdruckquelle 15 zeit
weise unterbrochen ist, vermindert sich das Ausgangssig
nal des Meßfühlers 15 und damit das zurückgeführte Signal,
so daß die Signalabweichung ε größer wird. Wenn die
Größe der Signalabweichung die des Referenzsignals aus
der Justiervorrichtung 18 übersteigt, schaltet der Kom
parator 10 den Schalter 19 um und das Regelsystem wird in
einen offenen Regelkreis umgewandelt. In anderen Worten,
der Rückführkreis wird durch den Schalter 19 unterbrochen
und das vorgegebene Signal vom Eingangssignalgeber 11
wird direkt als Steuersignal auf den Verstärker 12 a gege
ben. Dadurch wird verhindert, daß ein großes Eingangs
steuersignal entsprechend einer hohen Signalabweichung
auf den Leistungsverstärker 12 gegeben wird. Somit wird
der offene Regelkreis beibehalten und damit geht das
Übergangsverhalten des Regelsystems auf eine hohe An
sprech-Charakteristik über, die nicht durch die Rückfüh
rungsschleife begrenzt ist. Als Ergebnis wird, selbst
wenn der Versorgungsdruck PS danach plötzlich wieder her
gestellt ist, der offene Regelkreis nicht ausgeschaltet,
bis der Druckwert der vom Druckmeßglied 15 gemessen ist,
wieder ausreichend aufgebaut ist, um das Niveau der Sig
nalabweichung ε kleiner als das Referenzsignal zu machen,
wodurch der Schalter 19 in eine Stellung zurückgeschaltet
wird, die einen geschlossenen Regelkreis nur dann aus
wählt, wenn die Signalabweichung ε unter das Referenzsig
nal absinkt und zwar durch Anwachsen des Rückführungssig
nals. Auf diese Weise wird jede Eingabe eines zu hohen
Signals auf den Leistungsverstärker 12 auf einen Wert be
grenzt, der kleiner ist als der Wert, der von der Ju
stiervorrichtung vorgegeben ist. Damit wird auch das Auf
treten anormaler Überschwingungen aufgrund der Wiederher
stellung des Druckes unterdrückt.
Fig. 2 zeigt in einem Blockdiagramm die Konstruktion
eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung mit
den gleichen Bezugszeichen, wie sie in in Fig. 1 verwen
det sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das stufen
förmige Ausgangssignal des Komparators 10 in seiner Höhe
auf ein gewünschtes Maß eingestellt durch eine Zeitkon
stanzregelung 21, die einen lntegrator oder ähnliches
enthält, so daß einerseits das Signal durch einen Umkehr
verstärker 22 zu einem Multiziplierglied 20 a geführt
wird, während andererseits das Signal direkt an ein wei
teres Multiplizierglied 20 b angeschlossen ist. Das Multi
plizierglied 20 a multipliziert das Eingangssignal mit dem
geschlossenen Regelkreissignal i vom Abweichungsrechen
glied 17 und das andere Multiplizierglied 20 b multipli
ziert das Eingangssignal mit dem offenen Regelkreisein
gangssignal vom Eingangssignalgeber 11. Die Ausgangssig
nale der beiden Multiplizierglieder, die umgekehrt gegen
einander geschaltet sind, werden nun dem Leistungsver
stärker 12 über den Verstärker 12 b zugeführt. Dadurch
sind die sogenannten wiederkommenden (fade-in) und
schwindenden (fade-out) Regelungen in einer solchen Weise
kombiniert, daß, wenn die Signalabweichung ε das Refe
renzsignal überschreitet oder umgekehrt unter das Refe
renzsignal absinkt, der Übergang vom geschlossenen Regel
kreis zum offenen Regelkreis oder der umgekehrte Übergang
sanft ohne jeden Stoß erfolgt. Auf diese Weise wird das
Auftreten elektrischer Stoßwellen oder solcher der Flüs
sigkeit während des Öffnens oder Schließens des Regel
kreises verhindert und die Regelung wird stabil gehalten,
ohne irgendwelche Schwingungen oder ähnliches zu verur
sachen.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausfüh
rungsbeispiels nach der Erfindung mit den gleichen Be
zugszeichen wie sie in Fig. 1 und 2 verwendet sind, um
gleiche oder äquivalente Komponenten zu bezeichnen. Nach
diesem Ausführungsbeispiel erfolgt, wie man insbesondere
bei einem Vergleich mit dem zweiten Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 ersieht, die Durchschaltung des geschlossenen
Regelkreissignals vom Abweichungsrechenglied 17 allmäh
lich über ein Multizipierglied 20, während das Signal des
offenen Regelkreises vom Eingangssignalgeber 11 ständig
am Verstärker 12 b ansteht. ln diesem Fall besteht der
Vorteil in einer Vereinfachung der Konstruktion durch
Verringerung der Zahl der Multiplizierglieder auf eins
allein durch geringe Änderung des Rechengliederinhaltes
des Abweichungsrechengliedes 17.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele wurden beschrieben
in Form von Beispielen für eine Druckregelung, aber es
ist selbstverständlich, daß die Erfindung in gleicher
Weise anwendbar ist auf eine Rückführungsregelung mit
einem Meßwert der Durchflußmenge in einer Durchflußmen
genregelung.
Aus der vorstehenden Beschreibung ersieht man, daß auf
grund einer entsprechend ausgelegten Regelkreisumschal
tung die Umschaltung vom geschlossenen Regelkreis zum of
fenen Regelkreis zeitweise bewirkt wird als Reaktion auf
ein Abnehmen der Höhe des rückgeführten Signals oder sein
völliges Fehlen, und daß die Umschaltung vom offenen Re
gelkreis zum geschlossenen Regelkreis erfolgt, wenn das
rückgeführte Signal ausreichend wiederhergestellt ist mit
der Wirkung, daß zum Zeitpunkt der Beseitigung eines fehlerhaften
Zustandes im Rückführungssystem oder im Flüs
sigkeitssystem das Auftreten von Druckstößen oder -wellen
unterdrückt und eine Kennlinie mit einem hervorragenden
Übergangsverhalten sichergestellt wird, wodurch die Qua
lität der Regelung verbessert wird, ohne daß der Vorteil
der hohen Genauigkeit eines geschlossenen Regelkreises
aufgegeben werden muß.
Claims (2)
- Steuerkreis für ein proportional geregeltes, elektro hydraulisch betätigtes Flüssigkeitsregelventil, bei dem der Druck oder die Durchflußmenge einer Flüssigkeit, die nach Maßgabe eines elektrischen Steuerventils durch das Regelventil proportional geregelt wird, als elektrisches Signal gemessen und in das elektrische Steuersystem des Regelventils zurückgeführt wird, um den Betrag des elek trischen Steuersignals nach Maßgabe einer Signalabwei chung zwischen einem vorgegebenen Eingangssignal des elektrischen Steuersystems und dem gemessenen Signal in einem geschlossenen Regelkreis zu vergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß Regelkreisumschaltmittel (10, 18, 19, 20, 20 a, 20 b, 21, 22) für die Umschaltung des Regelverfahrens für das elektrische Steuersignal von
- a) einem geschlossenen Regelkreis nach Maßgabe der Signalabweichung in
- b) einen offenen Regelkreis nach Maßgabe des vor gegebenen Eingangssignals
- vorgesehen sind, sobald die Signalabweichung eine vorge gebene Höhe überschreitet.
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