DE60214362T2

DE60214362T2 - Steuersystem und -verfahren zur steuerung eines stellglieds und zur optimierung der steuerung durch einen satz von parallelgeschalteten ventilen

Info

Publication number: DE60214362T2
Application number: DE60214362T
Authority: DE
Inventors: Matti Linjama
Original assignee: Individual
Current assignee: Tuotekehitys Tamlink Tampere Fi Oy
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: CA2483644C; WO2002086327A1; FI118608B; DK1386083T3; CA2483644A1; FI20010827A0; DE60214362D1; ES2271235T3; ATE338211T1; FI20010827A; EP1386083B1; EP1386083A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zur Steuerung der Geschwindigkeit und/oder Position eines durch ein unter Druck stehendes Medium angetriebenen Stellglieds gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit und/oder Position eines durch ein unter Druck stehendes Medium angetriebenen Stellglieds nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Bekannterweise wird die Hydraulik dazu verwendet, Energie mit Hilfe eines unter Druck stehenden Mediums zu übertragen, wobei ein unter Druck stehender, durch Pumpmittel erzeugter Volumendurchfluss von Ventilmitteln gesteuert und in Stellgliedmitteln nutzbar gemacht wird, etwa in Zylindern und Motoren, um eine lineare Bewegung, eine Kraft, ein Moment oder eine Rotationsbewegung zu erzeugen. Bekannte unter Druck gesetzte Medien umfassen Hydrauliköl, Druckluft und Wasser oder wasserbasierte Hydraulikfluids (HFA, HFB, HFC, HFD).
Zur Steuerung von Zylindern und Motoren werden auf bekannte Weise Proportional-Steuerventile verwendet, von denen ein Beispiel in US-Patent 5,785,087 offenbart ist. Das offenbarte Ventil ist ein Schieberventil, bei dem die Stellung des Schiebers mittels eines Proportionalmagneten zum Drosseln des unter Druck stehenden Mediums und gleichzeitiger Steuerung von Menge und Richtung des Volumendurchflusses erfolgt. Das Ventil wird von einem externen, elektrischen Stellsignal gesteuert, das proportional zum gewünschten Volumendurchfluss ist. Mit dem Ventil wird eine stufenlose Steuerung des Volumendurchflusses erreicht.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Alternativmethode zur Steuerung des Volumendurchflusses zu schaffen, insbesondere in Verbindung mit Stellgliedern, wobei dieses Verfahren auch Energieeinsparungen mit sich bringt. Die Erfindung schafft erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Proportionalsteuerungen und beseitigt darin enthaltene Probleme. Das Steuersystem gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 dargestellt. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 11 dargestellt.
Insbesondere ist das Steuersystem zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Stellglieds geeignet, es kann aber auch zur Positionssteuerung angewendet werden, wenn eine zeitabhängige erwünschte oder eingestellte Position kontinuierlich überwacht werden soll.
Bekannt sind Systeme zur stufenlosen Steuerung eines Volumendurchflusses, die mittels getrennter einfacher Ventile implementiert wird. In diesem System wird die Steuerung auf unterschiedliche Volumendurchflussniveaus mit Ventilen durchgeführt, die nur eine offene und eine geschlossene Stellung haben (sogenannte Ein/Aus-Ventile, 2/2-Ventile). Ein 4/3-Ventil (4 Öffnungen und 3 Stellungen), das mit getrennten Ventilen implementiert wird, ist im Hinblick auf einige seiner Merkmale noch vielseitiger als ein proportionales 4/3-Ventil.
Als Ein/Aus-Bauteile können sehr preisgünstige, leicht erhältliche Ventile benützt werden, die die Verwendung einfacher Strukturen ohne Verschleißprobleme in Verbindung mit der Dichtung oder Drosselung des Volumendurchflusses gestatten. Wegen ihrer Preisgünstigkeit und einfachen Installation sind auch kurze Lebenszeiten solcher Bauteile zulässig. Ein weiterer Vorteil liegt in ihrem Widerstand gegen Verunreinigungen.
Ein Beispiel eines Ein-/Aus-Systems, das mit der Druck- oder Rückführungsseite eines Zylinders gekoppelt werden kann, ist in U.S.-Patent Nr. 2,999,482 dargestellt. In U.S.-Patent Nr. 5,313,871 wird wiederum die Steuerung eines Ein/Aus-Systems auf der Druckseite präsentiert, um den Zylinder in einem gewünschten Ausmaß zu transportieren. Auch DE 9116670 U offenbart ein Ein/Aus-System auf der Rückführungsseite. In U.S.-Patent Nr. 4,590,966, das als dem Stand der Technik am nächsten zu betrachten ist, wird wiederum eine Version des Ein/Aus-Systems offenbart, und zwar eine Art digitaler Ventilblock, der an die Druck- und Rückführungsseite eines Ventils gekoppelt ist. Ein entsprechender Block-Typ ist auch in U.S.-Patent Nr. 4,518,011 dargestellt.
Die Zahl der Steuerungsschritte kann je nach Notwendigkeit und Verwendungsart verringert oder erhöht werden, wobei das selbe Ventilsystem in unterschiedlichen Situationen auf effizientere Art und Weise angewendet werden kann. Die Notwendigkeit weniger Steuerungsschritte reduziert auch die Zahl der Ein/Aus-Ventile, was zu einer Kostensenkung führt. Überdies erfordert die Betätigung von Ventilen, insbesondere die Änderung der Steuerung, immer eine Reaktionszeit, die im Falle eines Schieberventils von der Distanz abhängig ist, über die sich der Schieber bewegen muss. Wenn nötig, werden die Ein/Aus-Ventile gleichzeitig betätigt, wobei die Verzögerung der Betätigung im wesentlichen bei allen Änderungen in der Steuerung des Volumendurchflusses konstant ist, weil die Ventile sich nur zwischen den offenen und geschlossenen Stellungen bewegen.
Im Vergleich mit einem Schieber-gesteuerten Ventil besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die Durchflüsse zweier Simultanverbindungen im Ventilsystem getrennt gesteuert werden können. In dem oben erwähnten Schieberventil werden unterschiedliche Führungskanten des selben Schiebers dazu verwendet, diese Durchflüsse des unter Druck stehenden Mediums in unterschiedlichen Richtungen zu steuern. Die Unabhängigkeit der Steuerung im Ein/Aus-System ermöglicht die Reduzierung unnötiger Druckverluste im Durchfluss und trägt damit auch zur erheblichen Energieersparnis ohne Beeinträchtigung der Steuerbarkeit bei. Anderseits erweitert die funktionale Unabhängigkeit auch die Möglichkeiten zur Verwendung und Steuerung des 4/3-Ventils.
In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen illustriert:
1 ist ein schematisches Diagramm, in dem die Leistungskennlinie eines Proportional-Ventils nach dem Stand der Technik dargestellt ist;
2 ist ein schematisches Diagramm, in dem die Leistungskennlinie Kurve eines Ventilsystems gemäß der Erfindung mit Bezug auf einen Ventilsatz dargestellt ist;
3 ist eine Blockgrafik, in der die Struktur eines Ventilsystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;
4a bis 4d zeigen unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten für das Ventilsystem der 3;
5 ist eine schematische Ansicht eines Kreislaufs, in dem zur Steuerung eines Zylinders ein Ein/Aus-Ventilsystem zur Anwendung kommt;
6 zeigt die Geschwindigkeiten des Zylinders im System der
5 mit unterschiedlichen Kombinationen von Ventilöffnungen;
7 zeigt die Geschwindigkeiten in 6 in der Reihenfolge ihrer Größe an; und
8 zeigt Druckvariationen im System der 5 bei unterschiedlichen Kombinationen von Ventilöffnungen an.
In 1 ist die Leistungskennlinie eines Proportionalwegeventils nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei der Übertragungsdurchsatz des Volumendurchflusses Q des Ventils in linearer Beziehung zu einem Steuersignal V steht. Die Geschwindigkeit der Leistungskennlinie ist auch von der auf dem Ventil wirksamen Druckdifferenz abhängig, also dem Druckverlust im Wegeventil. In dem vorgestellten Beispiel ist das verwendete Steuersignal ein Spannungssignal V, es kann aber auch ein Stromsignal I benützt werden. Der für das Steuersignal I gewählte Pegel wird als Stellwert V_SET verwendet, wobei die Maximalsteuerung V_MAX dem Maximum des Volumendurchflusses Q_MAX entspricht und die anderen Pegel der Kurve dem Volumendurchfluss Q_SET entsprechen, wobei kein Volumendurchfluss erreicht wird, wenn die Steuerung Null ist. Normalerweise setzt sich die Leistungskennlinie als Spiegelbild auf der Negativseite fort, wobei V_SET auch negativ sein kann, und die Durchflussrichtung und Ventilstellung ebenfalls geändert sind.
In einem Proportional-Wegeventil übt ein Proportionalmagnet eine Wirkung auf den Steuerschieber aus, der normalerweise von Federn zentriert wird. Der Proportionalmagnet ist wiederum normalerweise ein Gleichstrommagnet, dessen Ausgang eine Ankerkraft oder ein Bewegungsbereich ist, der proportional zum Pegel des elektrischen Eingangs-Steuersignals ist. Die Ventilsteuermittel sind auf einer Leiterplatte vorgesehen, die mit dem Ventil elektrisch verbunden ist. An die Leiterplatte kann wiederum ein Steuersystem zur Steuerung des Ventils und des größeren Apparats gekoppelt sein. Somit kann das Steuersignal, das einen bestimmten Pegel aufweist und vom Steuersystem kommt, zur Steuerung des Volumendurchflusses durch das Ventil und weiter des mit dem Ventil verbundenen Stellglieds verwendet werden. Der unter Druck stehende Volumendurchfluss kann ferner dazu dienen, die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Zylinderstellglieds zu steuern. Beispielsweise wird bei einem Stellsignal von –10 V bis +10 V die Bewegungsrichtung des Zylinders (also die Position des Ventilschiebers) durch das Vorzeichen bestimmt, wobei sich das Ventil an der Grenzposition von 0 V in geschlossener Position befindet und der Zylinder angehalten wird. Das Stellsignal kann beispielsweise auch ein Signal von 0 V bis 20 V sein, wobei der Grenzwert 10 V ist. In 1 ist auch das Grafiksymbol des Proportional-Wegeventils und die Öffnungen darin dargestellt.
2 zeigt die abgestufte Leistungskennlinie eines Ventilsatzes in einem Ein/Aus-Ventilsystem, wobei der Volumendurchfluss Q nur schrittweise geändert wird, wenn das Steuersignal V geändert wird. Der Volumendurchfluss Q_SETdes Ventilsystems wird schrittweise geändert, wenn das Stellsignal V_SET die für diesen Schritt festgelegten Grenzwerte über- oder unterschreitet. Naturgemäß ist die Steuerbarkeit des Volumendurchflusses des unter Druck stehenden Mediums um so besser, je kleiner die Größe dQ des Schritts in Relation zum maximalen Volumendurchfluss Q_MAX, d.h. je größer die Anzahl der Ventile.
Bezug nehmend auf 3 umfasst ein vorteilhaftes Ventilsystem 100 nach der Erfindung, das für die Steuerung eines Stellglieds vorgesehen ist, mindestens die Öffnungen P, T, A und B. Der Einlass P ist für den Anschluss einer Druckleitung im System zur Aufnahme eines Volumendurchflusses eines unter Druck stehenden und normalerweise von einer Pumpe kommenden Mediums angeordnet. Der Auslass T ist zum Anschluss einer Rückleitung im System angeordnet, wobei es sich bei der Rückleitung um eine Tankleitung oder eine Leitung mit einem niedrigeren Druckpegel als die Druckleitung handelt. Der erste Arbeitsanschluss A ist zum Anschluss eines Stellglieds, etwa die Kolbenseite eines Zylinders, im System angeordnet. Der zweite Arbeitsanschluss B ist zum Anschluss eines Stellglieds, etwa der Kolbenstangenseite eines Zylinders im System, angeordnet. Der Volumendurchfluss wird in das Stellglied durch einen Arbeitsanschluss eingeführt, und gleichzeitig wird der Volumendurchfluss vom Stellglied durch den anderen Arbeitsanschluss aufgenommen.
Für unterschiedliche Bewegungsrichtungen des Stellglieds umfasst das System 100 elektrisch steuerbare Anschlussmittel 101, die so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Verbindung 1 (zwischen dem Einlass P und dem ersten Arbeitsanschluss A) und gleichzeitig eine zweite Verbindung 2 (zwischen dem Auslass T und dem zweiten Arbeitsanschluss B) schaffen. Die Anschlussmittel 101 sind auch so angeordnet, dass sie mindestens eine dritte Verbindung 3 (zwischen dem Einlass P und dem zweiten Arbeitsanschluss B) und gleichzeitig mindestens eine vierte Verbindung 4 (zwischen dem Auslass T und dem ersten Arbeitsanschluss A) schaffen. Die unterschiedlichen Verbindungsmöglichkeiten sind auch anhand der grafischen Symbole in 4c illustriert.
Die gewünschten Anschlussalternativen können beispielsweise mit einem elektrisch gesteuerten 4/2-Ventil implementiert werden, bei dem es sich um ein Ein/Aus-Schieberventil V wie in 3 dargestellt handelt. Alternativ dazu können die Verbindungen mittels zweier paralleler elektrisch gesteuerter 3/2-Ventile implementiert werden. Durch Erweiterung der Positionsalternativen des Schieberventils ist es möglich, die Anschlussalternativen des gesamten Systems zu vergrößern. Die Anschlussmittel 101 können somit in großem Ausmaß variieren und auch getrennt an das System 100 angeschlossen sein. In seiner Grundform umfasst das System 100 deshalb nur die erste Verbindung 1 zwischen dem Einlass P und dem ersten Arbeitsanschluss A sowie die getrennte zweite Verbindung 2 zwischen dem Auslass T und dem zweiten Arbeitsanschluss B. Die Anschlussmittel 101 sind demnach wenn nötig an den Arbeitsanschluss A und B angeschlossen. Beispielsweise werden die Mittel 101 im Zusammenhang mit der Steuerung eines Motors nicht benötigt, wenn der Motor nur in einer Richtung rotiert.
Ferner unter Bezugnahme auf 3 wird das unter Druck gesetzte Medium, das durch die Verbindungen 1 bis 4 fließt, weiter durch das Ventilmittel 102 geführt. Das Ventilmittel 102 umfasst zwei Ventilsätze 103 und 104. Jeder Satz umfasst mehrere elektrisch steuerbare Ein/Aus-Ventile, die parallel angeschlossen sind und deren Durchsatz eines unter Druck stehendem Mediums als abgestufte Reihe angeordnet ist. Der Mindestdurchsatz des Volumendurchflusses des unter Druck stehenden Mediums im gesamten Ventilsystem 100 ist durch den Durchsatz des kleinsten Ventils im Satz bestimmt, und der Maximaldurchsatz von der Summe aller Ventile. Ein Satz 103 (in der Öffnung P) dient zur Steuerung des Volumendurchflusses in den Verbindungen 1 und 3, und ein Satz 104 (in der Öffnung T) zur Steuerung des Volumendurchflusses in den Verbindungen 2 und 4. Allerdings können entweder die Verbindungen 1 und 2 oder die Verbindungen 3 und 4 gemeinsam gesteuert werden. Die Ventilsätze 103 und 104 können auch auf andere Weise zusammengesetzt werden, um eine gewünschte abgestufte Leistungskennlinie zu bilden, wobei der Satz mehrere Ventile der selben Größe umfassen kann. Die Ventilsätze können sich auch voneinander unterscheiden. Der Ventilsatz in dem Beispielsystem kann wiederum leicht mathematisch dargestellt werden, und seine Anzahl der Ventile ist im Verhältnis zur Anzahl der Schritte so klein wie möglich. Außerdem ermöglicht die mit dem Beispielsystem erreichte Steuerkurve, wie in 7 dargestellt, eine präzise, beinahe lineare Steuerung, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Sätze 103 und 104 mit vier elektrisch gesteuerten 2/2-Ventilen (Solenoid-gesteuerte Ein/Aus-Ventile) implementiert, wie in 3 dargestellt. Die Volumendurchsätze des unter Druck stehenden Mediums der Ventile V1 bis V4 sind wie in Tabelle 1 dargestellt. Zur Steuerung sind mindestens zwei Ventile erforderlich.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in 3 dargestellt, umfasst jeder Satz vier (Zahl als N angezeigt) Ventile 15 für einen Steuerungsschritt. Der Durchsatz des ersten Ventils (V1) ist 0,5 l/min (als Q angezeigt), und der Durchsatz der folgenden Ventile (V2, V3, V4) beträgt 1,0 l/min, 2,0 l/min bzw. 4 l/min nach Maßgabe der Berechnungsregel 2^(n-1)·Q, wobei die Variable n die Seriennummer des Ventils ist. Die für einen Schritt gewonnene Größe dQ ist demnach Q, und die maximale Anzahl Schritte ist 15 (nach Maßgabe der Berechnungsregel 2^N-1), unter Ausschluss von Schritt 0. Daraus ergibt sich der Mindestdurchsatz Q des Systems, und der Höchstdurchsatz ist 7,5 l/min (nach Maßgabe der Berechnungsregel Q·(2^N-1)). Mit Hilfe der Berechnungsregeln kann die erforderliche Anzahl N der Ventile auf Basis des gewünschten Höchstdurchsatzes und des gewünschten dQ errechnet werden. Entsprechend sind drei Ventile erforderlich, um sieben Schritte bereitzustellen, und sechs Ventile für 63 Schritte. In der Regel reicht die Anzahl der Ventile von 3 bis 7.
Tabelle 1
Zur Steuerung des Durchsatzes des Ventilssystem auf ein gewünschtes Niveau Q_SET werden die Ventile geöffnet, deren Gesamtdurchsatz Q_TOT dem gewünschten Niveau und dem Stellsignal V_SET entspricht. In Tabelle 1 erscheinen die Niveaus folglich in Intervallen von 0.5 l/m, und um das Niveau zu erreichen, ist auf der selben Zeile markiert, ob das fragliche Ventil geöffnet (1) oder geschlossen (0) ist. Zum Schließen der gesamten Verbindung werden alle Ventile geschlossen (0). In einigen Situationen kann die Betätigung des Ventilssystems verbessert werden, wenn das kleinste Ventil (V1) die ganze Zeit über bei hohen Volumendurchflüssen offen gehalten wird (Q_SET > Q_MAX/2). So ist die Anzahl der Schritte reduziert, kann aber noch immer ausreichend für die Steuerung sein. Diese Situation ist in der Tabelle 1 in Klammern angezeigt.
In 4a und 4b dienen die grafischen Symbole zur Illustration der Anschlussmöglichkeiten der Sätze 103 bzw. 104. Der Anschluss an die Öffnung A oder B ist von der Stellung der Anschlussmittel 101 abhängig. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die präsentierten Sätze identisch, sie können sich aber auf Wunsch voneinander unterscheiden. Wenn alle Ventile V1 bis V4 in jedem Satz geschlossen sind, kann die Verbindung 1 bis 4 geschlossen werden, und wenn nur ein Ventil V1 bis V4 im Satz geöffnet ist, wird eine Verbindung hergestellt, wobei der durch das Ventilsystem gehende Volumendurchfluss davon abhängig ist, welche Ventile zu diesem Zeitpunkt offen sind. Die Steuerbarkeit des Volumendurchflusses Q im Anschluss ist mit einer Lineation angezeigt. Hinsichtlich der gesamten Anschlussmöglichkeiten des in 4d dargestellten Ventilsystems 100 erweist sich das Ventilsystem als geeignet, neben den Anschlüssen eines normalen 4/3-Ventils auch Anschlüsse bereitzustellen, in denen jeweils eine Verbindung geschlossen ist. Das ist möglich, weil die Sätze 103 und 104 wenn nötig getrennt gesteuert werden können. Ferner bedeutet die Trennung auch, dass Druckverluste in gleichzeitigen Verbindungen getrennt gesteuert werden können.
Bezug nehmend auf 3 umfasst das Ventilsystem 100 auch elektrische Steuermittel 105 zum Steuern der Ventilmittel 103, 104 mittels Steuersignalen 106. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Steuermittel 105 aus einer programmierbaren Mikrosteuerung, die mittels Steuerleitern an die Ventile der Sätze 103, 104 und das Ventil V der Mittel 101 angeschlossen sind. Die Steuerung 105 implementiert die Steuerung mittels eines Steuerungsalgorithmus, der in ihren Speichermitteln unter einem die Vorrichtung steuernden Systemprogramm abgelegt ist. Der Steueralgorithmus wird gebildet, um die gewünschte Steuerung durchzuführen. Für die Steuerung empfängt das Steuermittel 105 bei Bedarf ein oder mehrere Stellsignale 107 und 108 von außen, auf deren Grundlage die Ventile der Sätze geöffnet und geschlossen werden, oder das Ventil der Mittel 101 wird nötigenfalls verschoben. Wenn nötig, wird das Steuermittel 105 auch zur automatischen Einstellung der Geschwindigkeit benützt, mit der der Volumendurchfluss der Verbindungen im Ventilsystem 100 geändert wird, also um die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen des Stellglieds einzustellen. Die Asymmetrie der Übertragung der Volumendurchflüsse der Sätze wird in der jeweiligen Situation ebenfalls eingestellt; beispielsweise wird die Übertragung des Satzes 104 auf der Rückführungsseite auf ein höheres Niveau geführt als die Übertragung des Satzes 103 auf der Druckseite, um Druckverluste zu reduzieren. Um eine Kavitation zu vermeiden, wird die Übertragung des Satzes 103 auch so ausgeführt, dass sie höher ist als jene des Satzes 104. Ferner wird das Steuersignal 107, 108, das an die Steuermittel 105 abgegeben werden soll, etwa ein Stellsignal (beispielsweise ein Spannungssignal von –10 V bis +10 V oder ein Stromsignal) auf einen Steueralgorithmus zur Berechnung des in 2 dargestellten Niveaus und der Bewegungsrichtung des Stellglieds angewendet, gefolgt von der Steuerung der Ventile der Sätze 103 und 104 und der Mittel 101. Die Steuerung der Ventile V, V1-V4 kann beispielsweise mittels Relais der Steuermittel 105 implementiert werden, durch die die Betriebsspannung in die Ventile eingeführt wird.
Parameters bezüglich der Berechnung des Steueralgorithmus der Steuermittel 105, etwa eine Verzögerungsrampe, eine Beschleunigungsrampe, die Asymmetrie, die Größe des Steuerungsnullbereichs oder Totbereichs, das Verhältnis zwischen dem Stellsignal und dem Übertragungsdurchsatz, die Ventilkombination bei unterschiedlichen Übertragungsniveaus, die Trennung der Steuerung der Sätze und die in 4a bis 4d dargestellten besonderen Anschlüsse werden vorzugsweise in das Steuermittel 105 eingegeben, beispielsweise über eine Programmierungsvorrichtung oder ein Steuersystem 109, etwa ein Computersystem, welches das Steuersystem oberen Niveaus bildet. Zumindest einige der Parameter können mit Einstellschrauben oder Einstelltasten bestimmt werden, die direkt mit dem Steuermittel 105 verbunden sind. Auch ein Display und eine Tastatur für die manuelle Eingabe der Parameterwerte können vorhanden sein. Das Steuersystem 109 kann gleichzeitig dazu verwendet werden, auch andere Ventilsysteme oder Vorrichtungen zu steuern, mit denen das Ventilsystem 100 verbunden ist. Zur Einstellung des Ventilsystems 100 in unterschiedlichen Zuständen, beispielsweise um unterschiedliche Verbindungen zu schaffen, können der Stellwert und die Parameter in die Steuermittel 105 in Digitalformat eingegeben werden, beispielsweise mit einem Bus 107 oder 108, in einigen Ausführungsbeispielen indessen auch in Analogformaten per Stellsignal 107 oder 108. Jeder Parameter kann darüber hinaus mit einer getrennten Signalleitung versehen sein.
Es ist auch möglich, vereinbarte Standardwerte für die Parameter zu verwenden, wobei die Steuerung einfach durch einen Stellwert (beispielsweise ein Spannungssignal von –10 V bis +10 V oder ein Stromsignal) erfolgt und das Steuerungs-Gerät die präzisere Steuerung des Systems 100 auf optimale Weise über den Steueralgorithmus übernimmt. Der Stellwert kann auch unter manueller Steuerung eingegeben werden, beispielsweise mit einem von der Bedienperson gehandhabten Steuerknüppel, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen. Die gewünschte Geschwindigkeit ist beispielsweise langsam oder schnell, je nach der Position des Steuerknüppels.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Ventilsystem 100 aus getrennten Ventilen V und V1 bis V4, die vorzugsweise an einer gemeinsamen Basisplatte befestigt sind, die auch mit den erforderlichen Bohrungen und Kannelierungen zur Ausbildung der Verbindungen versehen ist. Das System wird eine gleichförmige und kompakte Einheit. Vorzugsweise ist die Basisplatte auch mit einigen der Öffnungen (P, T, A, B) des Ventilssystems 100 versehen, beispielsweise für eine Rohrbefestigung oder eine Bettplattenbefestigung. Es ist evident, dass die erforderlichen Verbindungen auch mit Hilfe von Rohren und Schläuchen gebildet werden können, indem die Ventile miteinander verbunden werden. Es ist evident, dass das Ventilsystem auch mit anderen Öffnungen ausgerüstet werden kann, um besondere Verbindungen zusätzlich zu den präsentierten Verbindungen 1 bis 4 auszubilden. So werden insbesondere die Möglichkeiten, das Ventil V des Verbindungsmittels 101 anzuschließen, erhöht. Beispielsweise könnte das Ventil V dazu verwendet werden, die Öffnungen A und B zu schließen und eine Verbindung zwischen den Öffnungen P und T über die Sätze 103 und 104 herzustellen.
Berechnung der Steuerungen der Ventile in einem Beispielsystem
In 5 ist ein typischer Kreislauf dargestellt, der ein Ein/Aus-Ventilsystem zur Steuerung eines Zylinders 200 anwendet. Aus Gründen der Einfachheit wird als Tankdruck in der Berechnung 0 Bar angesetzt, und die Druckverluste des Ventils 101 werden als vernachlässigbar betrachtet, und die für die Ventile (V1, V2, V3 und V4) ausgewählten Volumendurchflüsse Q sind 0,5, 1, 2 und 4 l/min, wenn die Druckdifferenz im Ventil 5 Bar ist. Alternativ kann die Reihe auch beispielsweise 2, 4, 8 und 16 l/min sein. Die Proportionen von Tankdruck und Druckverlusten können auch als getrennter Faktor betrachtet werden. Als nächstes erörtern wir die Systemmodellierung, wobei folgende Bezeichnungen verwendet werden:

A_A: ¹ ⁾ Zylinderfläche auf der Kolbenseite [m²]
A_B: ¹⁾ Zylinderfläche auf der Kolbenstangenseite [m²]
K_VP: ¹⁾ Volumendurchflusskoeffizient des kleinsten Ventils im Ventilsatz auf der Druckseite [m³/(s·Pa^0,5)]
K_VT: ¹⁾ Volumendurchflusskoeffizient des kleinsten Ventils im Ventilsatz auf der Rückführungsseite [m³/(s·Pa^0,5]
n_P: ¹ ⁾ Anzahl der Ventile auf der Druckseite
n_T: ¹ ⁾ Anzahl der Ventile auf der Rückführungsseite
av_P: ²⁾ Öffnen des auf der Druckseite eingestellten Ventils (Ganzzahl von 0 bis 2(ⁿ _P ^-1))
av_T: ²⁾ Öffnen des auf der Rückführungsseite eingestellten Ventils (Ganzzahl von 0 bis 2(ⁿ _T ¹))
γ: Flächenverhältnis des Zylinders A_A/A_B
z: Hilfsvariable av_p·K_VP/(av_TK_VT)
v: ³⁾ Zylindergeschwindigkeit [m/s]
p_A: ³⁾Druck in der Zylinderkammer auf der Kolbenseite [Pa]
p_B: ³⁾ Druck in der Kammer auf der Kolbenstangeseite[Pa]
p_S: ¹⁾²⁾ Zuführungsdruck [Pa]
Q_P: Volumendurchfluss durch den Ventilsatz auf der Druckseite [m³/s]
Q_T: Volumendurchfluss durch den Ventilsatz auf der Rückführungsseite [m³/s]
F: ¹⁾²⁾ Auf den Zylinder wirkende Nettokraft (externe Kräfte und Friktionen)

Wenn sich der Kolben 201 in die positive Richtung bewegt, sind die Volumendurchflüsse:
Im ausgeglichenen Zustand des Kreislaufs (positive Richtung) sind die Drücke und Geschwindigkeiten wie folgt:
Wenn sich der Kolben 201 in negativer Richtung bewegt, werden die Volumendurchflüsse wiederum wie folgt sein:
Im ausgeglichenen Zustand des Kreislaufs (negative Richtung) sind Druck und Geschwindigkeit wie folgt:
Aus den voranstehenden Formeln ist ersichtlich, dass im ausgeglichenen Zustand die Drücke vom Öffnen auf der Druckseite (P) und der Rückführungsseite (T), dem Zuführungsdruck und der auf den Zylinder 200 wirkenden Kraft abhängig sind, wobei folgende Funktionen markiert werden können:
Die erforderliche Berechnung wird im Steueralgorithmus der Steuermittel 105 implementiert, in die die invariablen Parameter, die das System beschreiben (oben mit der Referenz ¹⁾ markiert) eingegeben werden. Die Berechnung erfolgt mit unterschiedlichen Kombinationen der variablen Parameter (oben mit der Referenz ²⁾ markiert) und bringt als Ergebnis die Ausgänge (oben mit der Referenz ³⁾ markiert). Nach Optimierung und Selektion der Kombination generieren die Steuermittel 105 die Steuersignale 106 zur Führung der Ventilmittel 102, also der Ventile, an die gewünschte Position. Wenn der gewünschte Stellwert geändert wird, werden die Operationen erneut durchgeführt. Der Stellwert kann kontinuierlich vom Steueralgorithmus geändert und überwacht werden. Nachstehend wird das Verfahren des Steueralgorithmus zum Erreichen des gewünschten Stellwerts ebenfalls dargestellt.
Die Berechnung der Kombinationen kann innerhalb oder außerhalb des Steuersystems 109 auch getrennt ausgeführt werden. Die Berechnung erfolgt beispielsweise mit einer Computervorrichtung, und die Steuermittel 105 dienen dazu, die berechneten Geschwindigkeitswerte und die Werte der Parameter, die zur Berechnung verwendet wurden (die Drücke, die verwendeten Öffnungskombinationen, die Kräfte usw.) beispielsweise in einer Tabelle zu speichern. Die Werte der Tabelle können in einen Optimierungsalgorithmus eingegeben werden, um die Ordnungsreihenfolge der Öffnungskombinationen zu ermitteln. Die gewünschte Kombination wird zur Verwendung gewählt, und auf Basis der Tabelle werden die Ventile in die entsprechende Stellung gebracht. Die Anordnung reduziert und beschleunigt die Berechnung der Steuermittel 105. Die Steuermittel 105 können auch eine Einheit umfassen, die einfach und schnell verwendbar ist, einschließlich der Berechnung der Öffnungskombinationen, wobei die Daten über das Stellglied und den zu verwendenden Ventilsatz zuerst eingegeben werden. Folglich können die Steuermittel 105 bereits mehrere alternative Modelle über die zu verwendenden Druckmediumkreisläufe 100 umfassen, oder sie können beispielsweise mittels Parametern oder Modellierung definiert sein. Die Steuermittel 105 übernehmen die Berechnung und Speicherung der erforderlichen Berechnungsalgorithmen.
Geschwindigkeitssteuerun im Beispielsystem
Wir diskutieren die Operation in positiver Richtung. Die negative Richtung kann auf ähnliche Weise vollzogen werden, unter Berücksichtigung der oben dargestellten Formeln. Wenn die Geschwindigkeit ohne Rückkopplung gesteuert werden soll, müssen der Zuführungsdruck p_s und die auf den Zylinder 200 wirkende Kraft F bekannt sein oder gemessen werden. Gemäß der Erfindung können die oben dargestellten Formeln dazu verwendet werden, die Drücke des ausgeglichenen Zustands und die Geschwindigkeit aller möglichen Öffnungskombinationen der Ein/Aus-Ventile auf den P und T Seiten zu berechnen. Von diesen Werten kann der bestmögliche unter Anwendung eines gewünschten Kriteriums ausgewählt werden. Gemäß der Erfindung wird hier eine gewünschte Straffunktion J verwendet, die beispielsweise eine Funktion zu den Drücken und zur Geschwindigkeit des ausgeglichenen Zustands ist, und möglicherweise auch zur Änderung des Drucks, wobei gilt: J = J (v, pA, pB) (14)
In 6 ist die Geschwindigkeit v des Zylinders 200 der 5 mit unterschiedlichen Öffnungskombinationen des Ventilsatzes 103 auf der P Seite und des Ventilsatzes 104 auf der T Seite dargestellt, woraus aufgrund der Ein/Aus-Ventile eine große Zahl getrennter, diskontinuierlicher oder diskreter Werte gewonnen wird. Durch die Anordnung der Kombinationen in einer Reihenfolge gemäß der mit dem Stellglied zu erreichenden Geschwindigkeit wird die Stufengrafik der 7 ermittelt, in der jeder Schritt für eine gegebene Kombination steht. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im wesentlichen die selbe Geschwindigkeit von unterschiedlichen Kombinationen repräsentiert wird, deren Druckniveaus sehr unterschiedlich sein können und von denen die bestgeeigneten ausgewählt werden können, so lange sich beispielsweise der Geschwindigkeitsfehler innerhalb zulässiger Grenzen befindet. Druckvariationen auf der Kolbenseite sind in dem Beispielsystem in 8 illustriert. Als Auswahlkriterium wird beispielsweise eine Mindeständerung des Drucks im Vergleich zum gegebenen Druckniveau benützt. Für die Auswahl der als nächstes zu benützenden Kombinationen können auch andere Kriterien herangezogen werden.
Bei der Methode mit der getrennten Steuerung der P und T Seiten ist normalerweise einer der beiden Ventilsätze vollständig geöffnet. So ist nur der Schritt der 2 in Verwendung, wobei V_max der äußersten Kombination des Ventilsatzes T oder P entspricht, was entweder parallel zur T-Achse oder zur P-Achse ist. Die vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Schritte beschränkt, es werden alle Schritte berücksichtigt. Es ist auch möglich, sich mittels unterschiedlicher Kombinationen auf dem selben Geschwindigkeitsniveau zu bewegen, da gleiche Spalten unterschiedliche Kombinationen (und auch unterschiedliche Druckniveaus) bezeichnen, aber im wesentlichen die selbe Geschwindigkeit. Mit dem Steuerungsverfahren der Erfindung ist es möglich, von einer Spalte zur nächsten weiter zu gehen und gleichzeitig die Steuerung zu optimieren.
Die Auswahl der zur Steuerung jeweils zu verwendenden Öffnungskombination ist eine schwierige Aufgabe, für die die Straffunktion J der vorliegenden Erfindung eine Lösung bietet. Auf dieser Grundlage ist es möglich, die als nächste anzuschließende Öffnungskombination auszuwählen, die die Steuerung der Zylindergeschwindigkeit auf die gewünschte Weise implementiert. Die nachstehende Diskussion gilt analog auch für hydraulische Maschinen, was für einschlägige Fachpersonen auf der Grundlage der voranstehenden Erörterungen offensichtlich ist.
Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nur der Geschwindigkeitsfehler für die Straffunktion J zur Steuerung der Geschwindigkeit berücksichtigt:
wobei V_ref' die gewünschte Zylindergeschwindigkeit ist. Die Variable X ist der gewünschte Exponent, beispielsweise 2, und der Koeffizient K₀ ist ein Gewichtskoeffizient. Zur Berechnung der Geschwindigkeit muss auch die Kraft F bekannt sein, die auf den Zylinder wirkt. Als nächstes errechnen wir die Drücke p_A, p_B und die Geschwindigkeit v des Ausgleichszustands mit allen möglichen Öffnungskombinationen. Danach werden diese unterschiedlichen Werte (p_A, p_B, v) dazu verwendet, den Wert der Straffunktion J zu berechnen. Danach wählen wir jene Kombination von Ventilsätzen (z.B. 103 und 104), die den Kriterien der Straffunktion J am besten entspricht. In diesem Fall wird jene Öffnungskombination gewählt, für die die Funktion J den niedrigsten Wert hat, wobei der Geschwindigkeitsfehler am kleinsten ist. Es ist offensichtlich, dass ein Maximalwert für den Geschwindigkeitsfehler festgelegt werden kann, wobei es möglich ist, jede geeignete Öffnungskombinationen zu wählen, für die die Funktion J kleiner als diese ist. Die Auswahl geeigneter Öffnungskombinationen kann sich auch auf andere Kriterien stützen.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nicht nur die Geschwindigkeitssteuerung, sondern auch die Kavitation berücksichtigt, wobei jene Öffnungskombinationen abgelehnt werden, bei denen der Druck p_A und/oder der Druck p_B näher am Nulldruck als der Stellwert p_min liegt. In diesem Fall ist die Straffunktion J beispielsweise:
Der für die Straffunktion J festgelegte Wert ist eine sehr hohe Zahl (oder diese Alternative kann von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen werden), wenn bei dieser Öffnungskombinationen ein Kavitationsrisiko besteht, wobei diese Kombination eindeutig nicht in die auszuwählenden einbezogen ist.
In einem dritten Ausführungsbeispiel werden für die Drücke p_A und p_B die Zieldrücke p_A,ref und p_B,ref festgelegt und dürfen von diesen nicht mehr als vorgesehen abweichen. Die Größe der Abweichung ist von den Koeffizienten der Straffunktion abhängig. Unter anderem werden die Zieldrücke dazu verwendet, Energieeinsparungen zu beeinflussen, wobei die Drücke so niedrig wie möglich gehalten werden sollen, allerdings unter Vermeidung von Kavitation. Der Zielwert kann mit der Notwendigkeit kombiniert werden, die Geschwindigkeit annähernd in einem gewünschten Bereich zu halten und mit folgender Formel dargestellt werden (ohne Bedingungen für eine Kavitationsvermeidung, die in die Formel eingefügt werden können):
worin die Parameter K₁ und K₂ (Gewichtskoeffizient) dazu dienen festzulegen, wie aggressiv der Druck in einem gewünschten Bereich zu halten ist. Wenn das Druckniveau keine Rolle spielt, hat der Koeffizient den Wert Null.
Die Ein/Aus-Ventile funktionieren in abgestufter Weise, und mit unterschiedlichen Kombinationen ist es möglich, eine Reihe von Einzelschritten zu wählen, wobei große Variationen im Druckniveau als Ausgleich für eine gute Geschwindigkeitssteuerung nicht immer akzeptabel sind. In einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Änderungen im Druckniveau, also Drucksprünge, reduziert, indem die Änderung des Druckniveaus in der Straffunktion J wie folgt hinzugefügt wird:
wobei p_A,cd und p_A,cd die Drücke sind, die in der vorhergehenden Berechnungsrunde ausgewählt wurden, d.h. dem von der Steuerung benützten Einzelschritt, dessen Ziel darin besteht, zum nächsten weiter zu gehen, um die Zylindersteuerung und eine Geschwindigkeitsänderung zu implementieren. Beispielsweise kann die Straffunktion ergänzt werden durch die Optimierung der Zieldrücke, wobei die Variation im Bereich eines gegebenen Druckwerts stattfindet.
Zum Energiesparen sollte das Maximum des Zuführungsdrucks p_s so niedrig wie möglich gehalten werden. Das Ziel wird erreicht durch die Forderung, dass der niedrigste Druck im System relativ niedrig und konstant sein muss. Normalerweise ist der niedrigste Druck auf der Rückführungsseite gegeben, wenn die Kraft beständig ist. Ein Ziel besteht demnach gemäß einem Beispiel darin, p_B wie gewünscht (p_B,ref) innerhalb der gesetzten Grenzwerte (p_B,ref – p_B) zu halten, und p_A kann frei variieren.
Geschwindigkeitssteuerung im Beispielsystem
Als nächstes werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Bestimmung der Geschwindigkeit V_ref' diskutiert, die für die Auswahl der Öffnungskombinationen erforderlich ist. Der einfachste Fall ist die offene Steuerung, bei der die gewünschte Geschwindigkeit V_ref' direkt von den Steuermitteln 105, 109 oder von der Bedienperson beispielsweise mit einem Steuerknüppel realisiert wird. Der Geschwindigkeitsfehler ist um so kleiner, desto besser die Lastkraft F und der Zuführungsdruck p_s bekannt sind. Durch die offene Steuerung wird eine präzise Geschwindigkeitssteuerung also nur dann erreicht, wenn die Lastkraft genau bekannt oder gemessen ist. Anderseits ist beispielsweise in der manuellen Steuerung eine sehr präzise Geschwindigkeitssteuerung nicht nötig.
Bei der Geschwindigkeitssteuerung ist die auf den Zylinder wirkende Kraft nicht immer bekannt. Eine präzisere Geschwindigkeitssteuerung wird durch Messen der realisierten Geschwindigkeit und durch die Auswahl von Ventilkombinationen mittels Minimierung des Geschwindigkeitsfehlers erreicht. Wenn die Zielgeschwindigkeit v_ref höher ist als die gemessene Geschwindigkeit v, ist eine Öffnungskombinationen zu wählen, die eine höhere Geschwindigkeit gewährleistet. Das Problem liegt jedoch bei der Lastkraft F, deren Wert möglicherweise nur ungefähr bekannt ist. In der Erfindung haben wir jedoch das für die geschlossene Steuerung wesentliche Merkmal festgestellt, dass die Reihenfolge der Öffnungskombinationen unabhängig von der Lastkraft ist, wobei in den Formeln (4) bis (6) und (10) bis (12) die Möglichkeit besteht, eine Grobschätzung der Lastkraft zu verwenden oder den Wert der Lastkraft in der Berechnung auf Null anzusetzen. Dies ermöglicht die Bestimmung und Auswahl der zu verwendenden Öffnungskombinationen im voraus, indem sie beispielsweise so angeordnet werden, dass die Variationen der Geschwindigkeit v klein sind und/oder dass eine Kavitation vermieden wird. Diese Kombinationen sind in einer Reihenfolge angeordnet, und um beispielsweise die Geschwindigkeit zu erhöhen, werden die Öffnungskombinationen in dieser Reihenfolge in Richtung einer höheren Geschwindigkeit ausgewählt, bis die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Das selbe Prinzip gilt auch für die Verzögerung. Zu Beginn der Steuerung ist es möglich, beispielsweise jeden fünften Wert auszuwählen und die Auswahl schrittweise genauer werden zu lassen, wobei am Ende immer der nächste Wert gewählt wird.
Wenn die Kraft F im voraus bekannt ist oder auf zuverlässige Weise zu ermitteln ist, können die Sätze der unterschiedlichen Öffnungskombinationen festgelegt werden (Straffunktion J). Mittels der Sätze erzielt man beispielsweise eine gute Geschwindigkeitssteuerung (Formel (15)) und optimale Drücke (Formel (16)), wenn die Lastkraft F positiv, negativ oder Null ist, jeweils als eigener Satz. Auf der Grundlage der ermittelten Lastkraft kann jeweils der bestgeeignete Satz in der offenen und geschlossenen Steuerung festgelegt und ausgewählt werden. So kann die geeignete Öffnungskombination direkt gewählt werden, ohne in einer Reihenfolge fortzuschreiten, naturgemäß in Abhängigkeit vom gewünschten Geschwindigkeitsprofil als Funktion der Zeit. Gleichzeitig ist es möglich, beispielsweise die Drücke zu optimieren.
Bei der geschlossenen Geschwindigkeitssteuerung wird die Geschwindigkeit v_ref' zur Auswahl der Öffnungskombinationen mit einem Geschwindigkeits-Steuergerät generiert, dessen Eingang der Geschwindigkeitsfehler (v_ref – v) ist und dessen Steueralgorithmus auf die Minimierung des Geschwindigkeitsfehlers abzielt. Die für den Berechnungsalgorithmus verwendete Funktion hat die Formel v_ref' = f_v(v_ref – v), wobei f_v eine statische oder dynamische Beschreibung ist. Die Steuerungspräzision kann mit Hilfe von Vorwärtsoptimierung weiter verbessert werden, wobei die gewünschte Geschwindigkeit v_ref in den Ausgang des Geschwindigkeits-Steuergeräts hinzugefügt wird: v_ref' = v_ref + f_v(v_ref – v). Der Vorteil dieser Steuerungsart liegt darin, dass das Geschwindigkeits-Steuergerät mit Variablen geringer Differenz arbeitet.
Die gewünschte Geschwindigkeit kann als Funktion der Zeit variieren, so dass beispielsweise die gewünschte Geschwindigkeitsrampe v_ref (t) verfolgt werden könnte. Die Steuermittel 105 können so angeordnet sein, dass sie diese gewünschte Geschwindigkeit kontinuierlich bestimmen. Die gewünschte Geschwindigkeit als Funktion der Zeit v_ref (t) kann auch – beispielsweise als Funktion oder Tabelle – gespeichert werden, um von den Steuermitteln gelesen zu werden. Dieser Wert der gewünschten Geschwindigkeit – ob konstant oder variabel – kann auch ein Steuersignal 107 und/oder 108 sein, das mit dem selben oder einem getrennten Steuersystem 109 generiert wird.
Positionssteuerung im Beispielsystem
In der Steuerung von Stellgliedern werden des öfteren Bewegungen benützt, in denen die Position nach einem Weg oder einer Kurve geändert wird, beispielsweise mit Positions- und Geschwindigkeitsrampen. Basierend auf der Geschwindigkeitssteuerung im System, wird auch eine gute Positionssteuerung erreicht, auch wenn die Steuerung aus diskreten Kombinationen besteht. Das System ist folglich besonders geeignet für die Positionssteuerung, wenn das Stellglied in Folge einer gewünschten Position kontinuierlich in Bewegung ist.
Zu jedem Zeitpunkt kann die gewünschte Geschwindigkeit v_ref auf Basis des gewünschten Positionswegs x_ref(t) generiert werden. Der gewünschte Weg x_ref(t) kann ebenfalls beispielsweise als Funktion oder Tabelle gespeichert werden, um von den Steuermitteln 105 gelesen zu werden. Für die Rückkopplung umfasst das System auch Mittel zur Bestimmung der Position des Stellglieds, wobei die gemessene Position x wiederum mit der gewünschten Position x_ref verglichen wird.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient die Positionsreferenz x_ref(t) dazu, die erforderliche Geschwindigkeit zu bestimmen, die beispielsweise auf der Tatsache basiert, dass das Stellglied eine bestimmte Geschwindigkeit benötigt, um die nächste Position in einer bestimmten Zeit zu erreichen. Auch kann der Weg oftmals als Kurve dargestellt werden, die beispielsweise eine Positionsrampe, eine Geschwindigkeitsrampe oder ein Polynom dritter oder fünfter Ordnung ist und die in den meisten Fällen auch 1 bis 3 Mal abgeleitet werden kann. Die Ableitung resultiert in der zu benutzenden Geschwindigkeitskurve, in der die Zielgeschwindigkeit v_ref für jeden Zeitpunkt angezeigt wird. Das Geschwindigkeitsprofil kann auch gespeichert werden, um beispielsweise in einer Tabelle bereit zu stehen, oder es wird durch Berechnung in den Steuermitteln 105 ermittelt, in die der Positionsweg eingegeben wird.
In der geschlossenen Positionssteuerung ist der Vorgang der selbe wie oben in Verbindung mit der Geschwindigkeitssteuerung beschrieben, nur wird das Geschwindigkeits-Steuerungsgerät ersetzt durch das Positions-Steuergerät in der Formel v_ref' = f_x(x_ref – x). Unter Anwendung der Vorwärtsoptimierung ist die Formel: v_ref' = v_ref + f_x(x_ref – x). Ein einfaches Positions-Steuergerät ist beispielsweise in folgender Formel darstellbar: f_x = K_p(x_ref – x), wobei KP die Verstärkung ist.
Steuerung des Beispielsystems durch Anwendung von Druckmessung
Durch Messen der Drücke p_A, p_B kann die Lastkraft beispielsweise durch die Formel (3) bestimmt werden. Das Ergebnis besteht im Erreichen einer guten Geschwindigkeitssteuerung ohne Rückkoppelung von der Geschwindigkeit. Die Optimierung der Drücke ist auch erfolgreicher, weil gemessene Informationen auch über die Drücke gewonnen werden. Es ist auch möglich, ohne das Risiko einer Kavitation niedrigere Gegendrücke zu verwenden, weil die Drücke gemessen worden sind. Alternativ dazu ist es möglich, auf eine an sich bekannte Weise eine Kraftmesszelle zum Messen der Kraft zu verwenden.
Bei der Steuerung gemäß der Erfindung werden insbesondere hinsichtlich der Energieeinsparung Vorteile erzielt; insbesondere kann der Zuführungsdruck p_s reduziert werden. Bei Verwendung einer Pumpe mit einem festen Volumen und Einstellung des Zuführungsdrucks p_s mit einem Sperrventil ist der Einsatz eines niedrigeren Zuführungsdrucks möglich als mit den symmetrischen Ventilen nach dem Stand der Technik, bei denen die Drücke sowohl auf der Druck- wie auf der Rückführungsseite von Druckverlusten im gemeinsamen Schieber betroffen sind. Die getrennten Ventilsätze können einzeln gesteuert werden, wobei insbesondere die Gegendrücke minimiert werden können, und dies nach wie vor bei Vermeidung einer Kavitation.
Bei Verwendung einer einstellbaren Verdrängerpumpe sind die Möglichkeiten von Energieeinsparungen größer, weil der Betriebsdruck des Stellglieds so optimiert werden kann, dass er so tief wie möglich ist, um vom Zuführungsdruck der Pumpe geringfügig übertroffen zu werden.
Ferner ist es für einschlägige Fachpersonen unmittelbar einleuchtend, dass die Erfindung in der voranstehenden Beschreibung zwar anhand eines vorteilhaften Ventilsystems illustriert wurde, diese jedoch im gesamten Geltungsbereich der Ansprüche angewendet werden kann. Des weiteren ist zu beachten, dass die oben dargestellte Straffunktion nur ein Beispiel des mathematischen Formats ist, in der die Straffunktion in die Berechnung eingeführt werden kann. Bei variierenden mathematischen Formen ist es beispielsweise möglich, das optimale Ergebnis durch Maximierung der formulierten Funktion zu erreichen. Die Straffunktion und ihre Koeffizienten können beispielsweise auch von der Richtung und der Geschwindigkeit der Bewegung abhängen.

Claims

Steuersystem für einen Druckmediumkreislauf, der zur Geschwindigkeitssteuerung und/oder Positionssteuerung eines durch ein unter Druck stehendes Medium angetriebenen Stellglieds angeordnet ist und der zumindest umfasst: – eine erste Verbindung (1), die zwischen einem Einlass (P) und einem ersten Arbeitsanschluss (A) angeschlossen ist, – eine zweite Verbindung (2), die zwischen einem Auslass (T) und einem zweiten Arbeitsanschluss (B) angeschlossen ist, und – Ventilmittel (102), um den Volumendurchfluss der Verbindungen (1, 2) zu leiten, wobei die Ventilmittel mindestens einen ersten Satz (103) und mindestens einen zweiten Satz (104) parallel geschalteter steuerbarer Ventile (V1-V4) umfassen, die geöffnet und geschlossen werden können, wobei der Volumendurchfluss des Satzes (103, 104) als die Summe der Durchsätze der Ventile bestimmt ist, die so gesteuert werden, dass sie zugleich zu öffnen sind, und wobei der erste Satz (103) in Reihenanordnung an die erste Verbindung (1) angeschlossen ist und der zweite Satz (104) in Reihenanordnung an die zweite Verbindung (2) angeschlossen ist, und – wobei das Steuersystem (100) zumindest Steuermittel (105, 109) zur Steuerung der Ventilmittel (102) umfasst, wobei die Steuermittel so angeordnet sind, dass sie jedes Ventil (V1-V4) der Sätze (103, 104) zur geöffneten oder geschlossenen Position hin steuern, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Steuermittel (105, 109) so angeordnet sind, dass sie: – zumindest einige dieser mit dem Stellglied erreichten einzelnen Druckniveaus und Geschwindigkeiten speichern, wenn die Ventile (V1-V4) sowohl des ersten Satzes (103) als auch des zweiten Satzes (104) in verschiedenen möglichen Kombinationen geöffnet oder geschlossen sind; – aus diesen Kombinationen mindestens eine auswählen, die gemäß dem eingestellten Optimierungskriterium die Geschwindigkeit realisiert, die zu jedem Zeitpunkt gewünscht wird, und – die Ventile (V1-V4) der Sätze zu Positionen gemäß der ausgewählten Kombination hin steuern.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es auch Sensormittel zum Messen der Geschwindigkeit des Stellglieds umfasst; dass die Steuermittel (105, 109) so angeordnet sind, dass sie die verschiedenen Kombinationen in einer Folge gemäß dem Optimierungskriterium einstellen; und dass die Steuermittel (105, 109) auch so angeordnet sind, dass sie unter Beachtung der Folge die verwendete Kombination so in eine neue Kombination umändern, dass die Differenz zwischen der gemessenen Geschwindigkeit und der gewünschten Geschwindigkeit v_ref reduziert wird.
Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (105, 109) zur Bestimmung der einzelnen Geschwindigkeiten einen gespeicherten Berechungsalgorithmus umfassen, dessen Parameter das Stellglied und den Druckmediumkreislauf darstellen.
Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es auch Sensormittel zum Messen der Kraft/Drücke des Stellglieds umfasst; dass die Steuermittel (105, 109) so angeordnet sind, dass sie durch Berechnung die auszuwählende Kombination bestimmen, indem sie einen Kraftschätzwert verwenden, der durch Berechnung aus einer gemessenen Kraft/Drücken erhalten wird und der die auf das Stellglied wirkende Belastung darstellt.
Steuersystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (105, 109) so angeordnet sind, dass sie die gewünschte Geschwindigkeit auf Basis eines eingestellten Positionswegs auswählen, der in den Steuermitteln (105, 109) gespeichert ist.
Steuersystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das rechnerische Optimierungskriterium zum Vergleichen verschiedener Kombinationen auf einem oder mehreren der folgenden Kriterien basiert: – dem Geschwindigkeitsfehler des Stellglieds, wobei der Geschwindigkeitsfehler vorzugsweise die Differenz zwischen der gewünschten Geschwindigkeit und der rechnerischen Geschwindigkeit ist, – dem eingestellten Mindestdruckniveau, – der Differenz zwischen dem Druck und dem eingestellten Referenzdruck, – der rechnerischen Größe der Druckdifferenz im Stellglied bei Bewegung von einer Kombination zu einer anderen, oder – der Summe aus zwei oder mehr der oben genannten Kriterien, gewichtet oder ungewichtet.
Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungskriterium als ein Berechnungsalgorithmus definiert ist, der eine Straffunktion J umfasst, die die Form J = K₀(v_ref – v)^X hat, wobei X der gewünschte Exponent, K₀ der Gewichtskoeffizient, v_ref die gewünschte Geschwindigkeit und v die rechnerische Geschwindigkeit ist.
Steuersystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellglied, das ein Zylinder oder eine Maschine ist, an den Druckmediumkreislauf angeschlossen ist.
Steuersystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Satz (103, 104) die Durchsätze der Ventile so angeordnet sind, dass sie schrittweise ansteigen, beispielsweise in einer solchen Weise, dass der Satz (103, 104) eine N-Anzahl von Ventilen umfasst, so dass der Durchsatz des ersten Ventils Q ist und der Durchsatz der nächsten Ventile in der Folge im Wesentlichen 2^(n-1)·Q ist, wobei die Variable n die fortlaufende Nummer des Ventils ist, wobei der Steuerungsschritt des Volumendurchflusses D ist, die maximale Anzahl von Steuerungsschritten 2^N-1 ist, der Mindestdurchsatz Q ist und der Höchstdurchsatz Q·(2^N-1) ist.
Steuersystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es auch Rückkopplungsmittel umfasst, um die Geschwindigkeit/Position des Stellglieds zu messen, und um die Differenz zwischen der gewünschten Geschwindigkeit/Position und der gemessenen Geschwindigkeit/Position zu bestimmen und sie in ein Geschwindigkeits/Positions-Steuergerät einzugeben, das wiederum eine neue gewünschte Geschwindigkeit erzeugt.
Verfahren zur Steuerung eines Druckmediumkreislaufs, der zur Geschwindigkeitssteuerung und/oder Positionssteuerung eines durch ein unter Druck stehendes Medium angetriebenen Stellglieds angeordnet ist und der umfasst: – eine erste Verbindung (1), die zwischen einem Einlass (P) und einem ersten Arbeitsanschluss (A) angeschlossen ist, – eine zweite Verbindung (2), die zwischen einem Auslass (T) und einem zweiten Arbeitsanschluss (B) angeschlossen ist, – Ventilmittel (102), um den Volumendurchfluss der Verbindungen (1, 2) zu leiten, wobei die Ventilmittel mindestens einen ersten Satz (103) und mindestens einen zweiten Satz (104) parallel geschalteter steuerbarer Ventile (V1-V4) umfasst, die geöffnet und geschlossen werden können, wobei der Volumendurchfluss des Satzes (103, 104) als die Summe der Durchsätze der Ventile bestimmt ist, die so gesteuert werden, dass sie zugleich zu öffnen sind, und wobei der erste Satz (103) in Reihenanordnung an die erste Verbindung (1) angeschlossen ist und der zweite Satz (104) in Reihenanordnung an die zweite Verbindung (2) angeschlossen ist, und – Steuermittel (105, 109) zur Steuerung der Ventilmittel (102), wobei die Steuermittel so angeordnet sind, dass sie jedes Ventil (V1-V4) der Sätze (103, 104) zur geöffneten oder geschlossenen Position hin steuern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bestimmen zumindest einiger der durch das Stellglied erreichten einzelnen Druckniveaus und Geschwindigkeiten, wenn die Ventile (V1-V4) sowohl des ersten Satzes (103) als auch des zweiten Satzes (104) in verschiedenen möglichen Kombinationen geöffnet oder geschlossen sind, – Auswählen von mindestens einer aus diesen Kombinationen, die gemäß einem eingestellten Optimierungskriterium die Geschwindigkeit realisiert, die zu jedem Zeitpunkt gewünscht wird, und – Führen der Ventile (V1-V4) der Sätze zu Positionen, die der ausgewählten Kombination entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Vergleichen der verschiedenen Kombinationen durch Berechnung, indem ein Optimierungskriterium verwendet wird, das auf einem oder mehreren der folgenden Kriterien basiert: – dem Geschwindigkeitsfehler des Stellglieds, wobei der Geschwindigkeitsfehler vorzugsweise die Differenz zwischen der gewünschten Geschwindigkeit und der rechnerischen Geschwindigkeit ist, – dem eingestellten Mindestdruckniveau, – der Differenz zwischen dem Druck und dem eingestellten Referenzdruck, – der rechnerischen Größe der Druckdifferenz im Stellglied bei Bewegung von einer Kombination zu einer anderen, oder – der Summe aus zwei oder mehr der oben genannten Kriterien, gewichtet oder ungewichtet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Verwenden eines Optimierungskriteriums, das als ein Berechnungsalgorithmus definiert ist, der eine Straffunktion J umfasst, die die Form J = K₀·(v_ref – v)^X hat, wobei X der gewünschte Exponent, K₀ der Gewichtskoeffizient, v_ref die gewünschte Geschwindigkeit und v die rechnerische Geschwindigkeit ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch kontinuierliches Bestimmen der gewünschten Geschwindigkeit auf Basis des gewünschten Positionswegs.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch Eingeben der gewünschten Geschwindigkeit als Stellwert für die Steuermittel (105, 109).
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch Eingeben der einzelnen Geschwindigkeiten in die Steuermittel (105, 109) zum Speichern und Auswählen, beispielsweise als Tabelle.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch Speichern eines Berechungsalgorithmus in den Steuermitteln (105, 109), auf dessen Basis die einzelnen Geschwindigkeiten bestimmt werden und dessen Parameter das Stellglied und den Druckmediumkreislauf darstellen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch Auswählen von einer aus diesen Kombinationen, die gemäß einem eingestellten Optimierungskriterium sowohl die Geschwindigkeit, die zu jedem Zeitpunkt gewünscht wird, als auch den Druck realisiert, der das eingestellte Optimierungskriterium erfüllt, während das Stellglied gesteuert wird.