DE3708826A1 - Steuerkreis fuer ein proportional geregeltes elektrohydraulisch betaetigtes ventil - Google Patents

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)

1. 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
2. vorgesehen sind, sobald die Signalabweichung eine vorge­ gebene Höhe überschreitet.