DE4415054C1 - Steuerung für einen hydraulischen Antrieb (simulierte Zustandsgrößen) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen hydraulischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nach dem DE-Patent 43 15 626 darin, die Ansteuerung von hydraulischen Antrieben nach einem vorgegebenen Sollwertverlauf zu verbessern, bei der zeitaufwen­ dige Optimierungsläufe mit mehreren Versuchsdurchläufen unter­ bleiben können und der Istwertverlauf dem Sollwertverlauf für die Bewegung des hydraulischen Antriebes weitgehend entspricht. Nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 dies es Pa­ tentes wird dies dadurch erreicht, daß eine Rechenvorrichtung hoher Rechengeschwindigkeit vorgesehen ist, in der fortlaufend aus einem vorgegebenen Sollwert ein Sollwert für die Bewegung des Antriebes berechnet wird und die Berechnung jeweils zumin­ dest auf eine gemessene Zustandsgröße des Antriebes zum Zeit­ punkt der Berechnung beruht und der berechnete Sollwert die Stellgröße des an das Ventil weitergeleiteten elektrischen Si­ gnals bestimmt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden anstelle gemesse­ ner Zustandsgrößen für die fortlaufende Berechnung des Sollwer­ tes für die Einstellung des Ventils simulierte Zustandsgrößen verwendet.

Die Verwendung simulierter Zustandsgrößen für die fortlaufende Berechnung der Sollwerte hat den Vorteil, daß auf Sensoren zur meßtechnischen Erfassung der Zustandsgrößen verzichtet werden kann. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die simulierten Zu­ standsgrößen parallel zu den gemessenen Zustandsgrößen laufen, so daß bei Ausfall eines Sensors oder bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes (Bandbreite) der gemessenen Zustands­ größen, das auf eine Störung der Steuerung schließen läßt, auf die betreffenden simulierten Zustandsgrößen für die Sollwertbe­ rechnung zurückgegriffen wird.

Nach Anspruch 6 des Hauptpatentes wird das dem Ventil zugeführte Signal über ein Summierglied geführt, dem über einen zweiten Eingang das Ausgangssignal eines den Antrieb einbindenden Lage­ regelkreises zugeführt wird. Bei Vorgabe von Sollwertverläufen des Antriebes für Kraft oder Druck wird einem weiteren Eingang des Summiergliedes das Ausgangssignal eines den Antrieb einbin­ denden Kraft- oder Druckregelkreises zugeführt, um kleine Fehler in der Sollwertberechnung zu korrigieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels.

In der Zeichnung veranschaulicht

Fig. 1 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Steuerung für einen Hydrozylinder mit durchgehender Kolbenstange,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines als Hydrozylinder mit durchgehender Kolbenstange ausgebildeten hydrau­ lischen Antriebs und

Fig. 3 ein Diagramm des Sollwertverlaufs einer Beschleuni­ gungs-, Kraft- oder Druckkurve eines hydraulischen Antriebs nach den Fig. 1 und 2.

Gemäß Fig. 1 wird in einem Rechner R beispielsweise einem Tran­ sputer aus dem vorgegebenen Sollwertverlauf der Beschleunigung der Kraft oder des Druckes des Zylinders ständig der Sollwert für die Zylindergeschwindigkeit, der Sollwert für den Zylinder­ weg sowie die auf den Zylinder Z einwirkenden dynamischen Kräfte, die sich aus dem Sollwertverlauf der Beschleunigung, Kraft oder Druck und den zugehörigen Massen des Antriebes erge­ ben, berechnet.

Ferner erfolgt eine ständige Berechnung der aktuellen Druckdif­ ferenz (Kraftdifferenz) am Zylinder oder Ölmotor auf der Grund­ lage simulierter Zylinderkammerdrücke PA und PB in den Zylinder­ räumen AA, AB und eine ständige Berechnung der aktuellen Steuer­ kantendruckabfälle P1 und P2 am Servoventil SV auf der Grund­ lage der simulierten Zylinderkammerdrücke PA und PB und des Sy­ stemdruckes PS und Tankdruckes PT - Doppelfunktion der simulier­ ten Zylinderkammerdrücke -. Die Simulation der Zylinderkammer­ drücke PA und PB ist für die Lastdruckermittlung und des Druckabfalls an den Steuerkanten erforderlich. Die Simulation des Systemdruckes PS und des Tankdruckes PT ist nur erforder­ lich, wenn diese Zustandsgrößen nicht konstant sind. Ständig ge­ messen werden die Istwerte vom Zylinderweg bzw. von der Kraft, oder dem Druck und der Beschleunigung am bzw. im Arbeitszylin­ der.

Aus den vorliegenden Soll- und Istwerten wird unter Berücksich­ tigung des Übertragungsverhaltens des Systems "Servohydraulische Achse" ständig ein Ventilsollwert berechnet, der am Eingang 2 eines Summiergliedes 10 eingespeist wird. Die Berechnung des Ventilsollwertes wird nach bekannten mathematischen und physika­ lischen Zusammenhängen unter Einbeziehung der stets aktuellen, simulierten Systemdaten der servohydraulischen Achse für die fortlaufende Soll- und Istkurve on-line ständig durchgeführt.

Bei der Berechnung jedes Ventilsollwertes werden berücksichtigt:
Die aktuellen simulierten Kammerdrücke PA, PB, Systemdruck PS und Tankdruck PT,
der aktuell gemessene Zylinderweg S, bzw. die aktuell gemessene Kraft F oder der Druck P am bzw. im Arbeitszylinder Z,
die erforderlichen Durchflußmengen für die Sollgeschwindigkeit und für die erforderliche Ölkompression,
der Einfluß der Lastdruckänderung im Nulldurchgang des 4-Wege- Servoventils SV,
der Einfluß des Nulldurchflusses des 4-Wege-Servoventils in Ab­ hängigkeit der Lastdruckdifferenz aus PA und PB,
der Einfluß der inneren und äußeren Leckagen hydrostatisch-gela­ gerter Servozylinder in Abhängigkeit der Lastdruckdifferenzen und aktuellen Kammerdrücke,
der Einfluß der Ventildynamik und der Dynamik der Regelstrecke,
sowie die stets aktuellen, statischen Kräfte und dynamischen Massenkräfte, die auf den Zylinder einwirken. Dabei werden aus den simulierten aktuellen Kammerdrücke PA und PB ständig die statischen Last- und Kraftdruckdifferenzen ermittelt,
der dynamische Massenanteil wird mittels einer Parameterbestim­ mung durch Simulation der Kammerdrücke und der Istbeschleunigung ermittelt,
die Zeitverzögerung am Servoventil und der Meßsignale wird durch Vorausberechnung der Ventil-Sollwerte und rechtzeitige Ausgabe kompensiert.

Da es sich im vorliegenden Fall um eine On-Line-Berechnung han­ delt, muß sichergestellt sein, daß für den Zeitpunkt 1 (0 ms) nach Fig. 3 der dem Beschleunigungs-Sollwert des Zylinders zu­ geordnete Ventilsollwert für den Zeitpunkt 2, der um den Betrag der Zeitkonstante Ts des Steuersystems später liegt, berechnet und zu diesem Zeitpunkt dem Steuersystem nach Fig. 1 dem Sum­ mierglied 10 zugeführt wird. Die Ausgabe des Ventilsollwertes für den Zeitpunkt 2 muß zeitlich im Bereich vor der Zeitkon­ stante Ts des Regelsystems liegen. Um die Sollwertkurve mit ge­ nügender Genauigkeit berechnen zu können, wird diese in n-Ein­ zelschritte unterteilt, d. h., im Zeitbereich Ts, der der Zeit­ konstante entspricht, erfolgen nach Fig. 3 vier Sollwertberech­ nungen auf der Grundlage der entsprechenden Simulationswerte, also außer der Sollwertberechnung für den Zeitpunkt 2 noch drei weitere Sollwertberechnungen für die Zeitpunkte A, B und C auf der Grundlage entsprechender Simulationswerte a, b, c, wobei für diese Zwischen-Rechenschritte die Festwerte zugrunde gelegt wer­ den wie sie für den Sollwert für Punkt 2 festgelegt sind. Die Rechengenauigkeit wird noch weiter erhöht, wenn der Sollkurven­ verlauf nach der Zeit TS, also nach Zeitpunkt 2 bzw. 3 durch weitere Rechenschritte TS, mit Unterteilung n in die mathemati­ sche Berechnung für den Sollwert zum Zeitpunkt 2 mit einbezogen wird. Für die Berechnung des Sollwertes 2 auf der Grundlage des Simulationswertes 1 werden die Daten des Sollwertes 3 mit einbe­ zogen. Für die Genauigkeit des zu erwartenden Ergebnisses ist es erforderlich, daß die Rechenzeit kurz und konstant ist. Deshalb werden die Rechenoperationen der n-Teilschritte zeitlich paral­ lel, durch Einsatz von parallelarbeitenden Transputern oder schnellen Rechnern, durchgeführt. Die Gesamtrechenzeit für einen auszugebenden Ventilsollwert liegt unter 1 ms.

Im Wege-, Kraft- oder Druckregelkreis nach Fig. 1 wird der ge­ messene Wege-, Kraft- oder Druck-Istwert des Zylinders mit dem bereits um die Zeitkonstante des Regelsystems vorher berechneten Wege-, Kraft- oder Druck-Sollwert eingelesen und verglichen. Der Wege-, Kraft- oder Druck-Sollwert wird zwischenzeitlich in einem Ringspeicher festgehalten. Bei richtig berechnetem Ventilsoll­ wert 2 wird am Reglerausgang 1 kein Signal anstehen (Fig. 1). Der Wege-Regelkreis hat nur die Aufgabe, Langzeitfehler aus­ zugleichen, d. h., lagemäßige Fesselung des Zylinders. Das glei­ che gilt, wenn die Steuerung für einen Kraft- oder Druckverlauf eines Hydrozylinders oder Hydromotors bestimmt ist. In diesem Fall wird einem Kraft- oder Druckregelkreis die gemessene Ist­ kraft bzw. der gemessene Ist-Druck zugeführt und dort mit den eingegebenen berechneten Sollwerten von Kraft- bzw. Druck ver­ glichen.

Die Genauigkeit des Ergebnisses wird zusätzlich On-Line durch ständige Überprüfung der Parameter für die Sollwertberechnung verbessert. Bei Soll-Istwertdifferenzen wird in den Rechenalgo­ rithmus so eingegriffen, daß für nachfolgende Sollwertberechnun­ gen sich eine kleinere Soll-Istwertabweichung ergibt. Diese Kor­ rektur der Parameter wird solange fortgesetzt, bis der Fehler in einem zugelassenen Fehlerfenster liegt.

Claims (23)

1. Steuerung eines von einem Arbeitsfluid druckbeaufschlag­ ten Antriebes, wobei das Arbeitsfluid über ein elektrisch ange­ steuertes Ventil zur Festlegung der den Antrieb zuzuführenden Arbeitsfluidmenge geführt ist und das elektrische Signal zur An­ steuerung des Ventils von einer Recheneinrichtung ausgegeben wird, wobei eine Rechenvorrichtung hoher Rechengeschwindigkeit vorgesehen ist, in der fortlaufend aus einem vorgegebenen Soll­ wertverlauf ein Ventil-Sollwert für die Bewegung des Antriebes berechnet wird nach DE-Patent 43 15 626, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung jeweils zumindest auf eine simulierte Zu­ standsgröße des Antriebes zum Zeitpunkt der Berechnung beruht und der berechnete Sollwert die Stellgröße des an das Ventil weitergeleiteten elektrischen Signals bestimmt.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als simulierte Zustandsgröße zumindest der zwischen Ventil (SV) und Arbeitsraum (AA, AB) des Antriebs (Z) herrschende Druck (PA, PB) des dem Antrieb zugeführten Arbeitsfluids zur Berechnung des jeweiligen Sollwertes zugrunde gelegt wird.

3. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckdifferenz des Arbeitsfluids zwischen Zu- und Rückfluß am Antrieb als simulierte Zustandgröße die Grund­ lage zur Berechnung des jeweiligen Sollwertes bildet.

4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die am Ventil auftretenden Druckdifferenzen (PS) als simulierte Zustandsgrößen die Grundlage der Berechnung für den jeweiligen Sollwert bildet.

5. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zu den simulierten Zustandsgrößen weitere Druck­ werte für den Zeitraum der Zeitkonstante (TS) des Systems be­ rechnet und den simulierten Werten aufaddiert werden.

6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ventil zugeführte Signal über ein Summierglied (10) ge­ führt ist, dem über einen zweiten Eingang (1) das Ausgangssignal eines den Antrieb einbindenden Wege-, Kraft- oder Druckregel­ kreises zugeführt wird.

7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Antriebes als Beschleunigungs-, Geschwindig­ keits-, Kraft-, Druck- oder Wegverlauf als Sollwert vorgegeben ist.

8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungs-, Kraft- oder Druckverlauf über die Zeitein­ heit die Ventilöffnung bei gegebener am Öffnungsquerschnitt vor­ herrschender Druckdifferenz zur Erzielung der daraus sich erge­ benden Sollgeschwindigkeit des Antriebes entsprechenden Arbeits­ fluidmenge bestimmt.

9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschleunigungs-, Kraft- oder Druckänderungen die daraus sich ergebenden Kompressionsmengen sowie die infolge der am An­ trieb auftretenden vom Druck in den Arbeitskammern (AA, AB) des Antriebes abhängigen Leckagedurchflußmengen in die Berechnung für die Ventilöffnung mit einbezogen werden.

10. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung die Ventildurchflußkennlinie und das Übertra­ gungsverhalten des Ventils einbezogen wird.

11. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wege-, Kraft- oder Druck-Sollwert des Antriebes berechnet wird und in einem Ringspeicher mindestens entsprechend der Zeit­ konstante (TS) des Systems gespeichert wird, bevor der Wege-, Kraft-, oder Druck-Sollwert einem Regelkreis zugeführt wird und das Ausgangssignal (1) des Regelkreises zur Korrektur über ein Summierglied (10) einem weiteren Sollwerteingang (2) zugeführt wird.

12. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus einem oder mehreren hydraulischen Antrieben be­ steht.

13. Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb von mehreren Arbeitszylindern oder Arbeitsmotoren gebildet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für jeden Arbeitszylinder oder Hydromotor ge­ trennt dessen für die Sollwertberechnung erforderliche Zu­ standsgrößen und Parameter aus einer räumlichen Bewegungsgeome­ trie berechnet werden.

14. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid aus Hydrauliköl besteht.

15. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die dem Ventil zugeführten Sollwertsi­ gnale digital berechnet sind und über einen D/A-Wandler als Stellsignale dem Ventil zugeführt werden.

16. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die analog aufgenommenen Drucksignale dem Rechner in digital umgewandelte Signale zugeführt werden.

17. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenzeit für die einzelnen Sollwertabschnitte des Soll­ wertkurvenverlaufes konstant ist.

18. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenoperationen von parallel geschalteten Rechnern (R) durchgeführt werden.

19. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Auftreten einer Soll-Istwertdifferenz des We­ ge-, Kraft- oder Druckregelkreises über einen zugelassenen Wert, diese über mehrere Sollwertabschnitte hinweg verteilt wieder auf den zugelassenen Wert zurückgeführt bzw. der Fehler verringert wird.

20. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Berechnung des vom Rechner (R) er­ mittelten dem Sollwert des Arbeitszylinders oder Hydromotors zu­ geordneten Ventilsollwertes auf einem simulierten Meßwert be­ ruht, der zeitlich um den Betrag der Zeitkonstante (TS) des Steu­ ersystems zurückliegt.

21. Steuerung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitbereich der Zeitkonstante (TS) des Steuersystems mehrere gleiche Zeitabstände (n) aufweisende Rechenschritte (A, B, C) auf der Grundlage der jeweiligen simulierten Meßwerte (a, b, c) durchgeführt werden.

22. Steuerung nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Berechnung des Ventilsollwertes im Zeitkon­ stantentakt auch der Sollwertverlauf der Sollkurve des Antriebes mit einbezogen wird, der zeitlich außerhalb des Bereiches der Zeitkonstante (TS) des Antriebes liegt, der für die Berechnung bestimmt ist, und zwar im Sinne einer Vorauseilung des Sollwert­ verlaufes.

23. Steuerung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die simulierten Zustandsgrößen für die Be­ rechnung der Sollwerte herangezogen werden, wenn gemessene Zu­ standsgrößen außerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegen oder ein Sensor ausfällt.