DE68925200T2

DE68925200T2 - Magnetostriktives Stellelement mit Selbstanpassender Steuerung

Info

Publication number: DE68925200T2
Application number: DE68925200T
Authority: DE
Inventors: Rodney David Greenough; Gordon Alan Jenner; Ahmed Parvinmehr; Anthony James Wilkinson
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2009-10-10
Also published as: JPH02297604A; EP0394582A2; EP0394582A3; GB8909483D0; DE68925200D1; CA2005660A1; EP0394582B1; CA2005660C

Description

Die Erfindung betrifft magnetostriktive Steliglieder und insbesondere solche, die in Verbindung mit seibstanpassenden Steuerungssystemen zur Steuerung ihrer Funktionsweise betrieben werden.
Es ist bekannt, daß Steliglieder aus magnetostriktiven Materialien nützliche Deformationen bei aufgebrachten Belastungen zeigen, jedoch große Schwankungen im Ansprechverhalten bei Veränderung der Belastung aufweisen. Diese, bei derartigen Materialien bekannterweise auftretende Hysterese in der Deformations-Magentfeldstärke-Kurve, macht den Einsatz von konventionellen selbstanpassenden Steuerungssystemen mit beispielsweise linearer Rückführung völlig ungeeignet für diesen Zweck.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein magnetostriktives Stellglied zu schaffen, dessen Aufbau und Arbeitsweise von den Eigenschaften bekannter magnetostriktiver Materialien vollständig Gebrauch macht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Stellglied zu schaffen, dessen selbstanpassendes Steuerungssystem Veränderungen im Ansprechverhalten während des Normalbetriebs ausgleichen kann. Daher muß die verwendete Steuerstrategie stabil gegenüber Veränderungen der Systemverstärkung sein und sich auch an Veränderungen der Betriebsdynamik anpassen können.
In der WO-A-85/02445 ist ein magnetostriktives Ventil beschrieben, mit einer in einem zylindrischen Gehäuse angeordneten Stange aus magnetostriktivem Material, einem in dem Gehäuse angeordneten und mit der Stange magnetisch gekoppelten Elektromagneten sowie einer Feder, die zur Ausübung einer Axialspannung oder eines Drucks angeordnet ist, der zur Verringerung der in der magnetostriktiven Wirkung vorliegenden Hysterese ausreicht. Gemäß dieser Druckschrift ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Stromzufuhr zum Elektromagneten in Abhängigkeit von ausgewählten Parametern und gemäß eines vorbestimmten Programms vorgesehen. Der dem Elektromagnet zugeführte Strom induziert ein Magnetfeld in dem magnetostriktiven Material der Stange, wodurch sich die Dimensionen der Stange (insbesondere ihre Länge) verändern und damit die Bewegung eines Ventilelements erzwungen wird, dessen Position durch die Lage des Stangenendes gesteuert wird.
Eine derartige Anordnung nutzt jedoch die magnetostriktiven Eigenschaften der bekannten Materialien nicht ausreichend aus, so daß insbesondere lange Stangen oder übermäßige Ströme für eine vorgegebene Ausdehnung benötigt werden.
Die Erfindung macht Gebrauch von der Tatsache, daß die in Rede stehenden Materialien im allgemeinen verbesserte magnetostriktive Eigenschaften aufweisen, wenn sie unter einem hohen Druck stehen.
Die Erfindung besteht daher aus einem magnetostriktiven Stellglied zur Steuerung einer Vorrichtung, mit: einem zylindrischen Gehäuse, das ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist; einer in dem Gehäuse gehaltenen Stange aus magnetostriktivem Material, wobei ein festes Ende der Stange an dem geschlossenen Ende des Gehäuses anstößt; einem in dem Gehäuse angeordneten und mit der Stange magnetisch gekoppelten Elektromagnet; und einem auf ein extern erzeugtes Bedarfsignal ansprechendes Steuerungssystem zur Erzeugung eines Steuersignals innerhalb des Elektromagnets, wobei das Steuersignal und der Elektromagnet ein entsprechendes Magnetfeld innerhalb der Stange induzieren; gekennzeichnet durch einen Belastungskopf, der an dem offenen Ende des zylindrischen Gehäuses befestigt ist und das andere, freie Ende der Stange innerhalb einer Axialbohrung aufnimmt, die sich über seine gesamte Länge erstreckt; ein Verschlußelement, das mit der Axialbohrung in Eingriff steht und einen Hohlraum zwischen dem freien Ende der Stange und dem Verschlußelement begrenzt; einer in dem Hohlraum angeordneten und zwischen dem Ende der Stange und dem Verschlußelement zusammengedrückten Feder zur Ausübung einer einstellbaren Axialdruckspannung auf das freie Ende der Stange; und ein Betätigungselement, das sich durch das Verschlußelement erstreckt und in Kontakt mit der Stange steht, wobei die Axiallage des Betätigungselements relativ zum Belastungskopf auf die Länge der Stange anspricht und das Betätigungselement mit der zu steuernden Vorrichtung verbindbar ist; wobei die Steuerung umfaßt: eine Auswerteeinheit (estimator) zur Lieferung von Modellparametern der Reaktion des Steuerungssystems auf eine externe Störung; eine auf die Auswerteeinheit ansprechende Steuereinrichtung (control designer) zum Vergleich des von der Auswerteeinheit gelieferten Modells mit den gewünschten Parametern und zur Erzeugung von Rückführsignalen als Ergebnis eines derartigen Vergleichs; zwei Schaltfilter jeweils zum Anlegen positiver und negativer Rückführsignale an den Steuerstrom; und einer Steuereinheit mit variabler Struktur (variable structure controller) zur Steuerung der Schaltung zwischen den zwei Filtern in Abhängigkeit von dem Bedarfssignal.
Ein derartiges Steuerungssystem (das Selbstanpassungstechniken in Verbindung mit Techniken veränderlicher Struktur
verwendet) ermöglicht eine genau abgestimmte Aufhebung jeglicher erkennbarer Störungen, die den zu steuernden Ablauf beeinträchtigen. Die Steuereinheit mit variabler Struktur gemäß der Erfindung ist zum Betrieb in einer diskreten Betriebsweise anstelle der besser bekannten kontinuierlichen Betriebsweise ausgelegt. Im Gegensatz zur Regelung mit linearer Rückführung kann die Steuereinheit mit variabler Struktur eine stabile Regelkreisreaktion auch unter Bedingungen mit extremen Prozeßmodellfehlern liefern.
Ein zweckmäßiges Merkmal eines derartigen Systems ist eine hohe Konvergenzgeschwindigke it der Prozeßmodellabschät zungen infolge der gesteuerten Prozeßeingabe. Dies ist ausnahmsweise in Fällen zweckmäßig, in denen das Prozeßmodell vom ursprünglichen Wert abweicht. Diese Art der Steuerstrategie ist insbesondere für Steueranwendungen mit Echtzeitverarbeitung geeignet, da ein Steuerungsystem mit veränderlicher Struktur nur eine geringe Rechenzeit erfordert.
Die dem Prozeß zugeführten Rückführsignale sind in Steuerungssystemen mit Echtzeitverarbeitungen gefährlich und können die teueren und empfindlichen Stellglieder sofort beschädigen. Magnetostriktive Stellglieder sind hingegen gegen diese Art von starken Steuersignalen immun, befinden sich in einem festen Zustand und sind daher robust.
Ein derartiges Stellglied ist daher zur Steuerung durch ein selbstanpassendes Steuerungssystem besonders geeignet.
Ein für den Betrieb der Steuereinheit mit variabler Struktur erforderliches diskretes Verschiebekritenum wird durch einen diskreten Differentialoperator ausgedrückt, der sich seinerseits aus dem "Delta-Operator" ergibt. Diese Operatoren werden im folgenden näher erläutert.
Einige Ausführungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines seibstanpassenden Steuerungssystems gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Steuerungssystems eines durch ein Stellglied betätigten Ventils gemäß der Erfindung.
In einem Steuerungssystem mit veränderlicher Struktur wird die Rückführungsstruktur des Systems nahezu gleichzeitig von einer Art des Rückführungsreglers (positiv oder negativ) zu der anderen zurück und vorgeschaltet.
Fig. 1 zeigt ein adaptiv zu steuerndes Verfahren (oder eine Anlage) 1. Eine Auswerteeinheit (estimator) 2 erhält Informationen bezüglich des Status oder des Betriebszustands des Verfahrens. Derartige Informationen können beliebige, durch einen Monitor 3 erfaßte, externe Störungen betreffen, für die das Verfahren 1 anfällig ist, sowie den Ausgangszustand des Verfahrens 1 selbst. Die Auswerteeinheit 2 erzeugt somit Prozeßmodellparameter, die am besten die Reaktion des gesteuerten Verfahrens beschreiben. Sie erzeugt mit anderen Worten eine Simulation des Verfahrens entsprechend der Informationen, die sie erhält.
Die von der Auswerteeinheit abgegebenen Prozeßmodellparameter werden einer Steuereinrichtung 4 (control designer) zugeführt, die diese Parameter mit den erforderlichen Parametern für das Verfahren vergleicht. Die erforderlichen Parameter werden aus einem in der Steuereinrichtung gespeicherten Algorithmus hergeleitet, der die Rückführungsmerkmale darstellt. Die Steuereinrichtung berechnet anschließend positive und negative Rückführsignale aus den zuletzt ermittelten Prozeßparametern.
Diese Rückführsignale werden einem Regler 5 mit positiver Rückführung und einem Regler 6 mit negativer Rückführung zugeführt. Diese Regler wirken als Filter und erzeugen einen Prozeßsteuerungseingang an der Leitung 7. Die Umschaltung zwischen den Reglern 5 und 6 erfolgt durch den Ausgang einer Steuereinheit mit variabler Struktur 8, die die Informationen von dem Ausgang der Steuereinrichtung 4, dem Ausgang des Verfahrens 1 und einem Sollwertsignal erhält. Das Sollwertsignal ist die gewünschte Verfahrensausgangsgröße, die beispielsweise von einem manuell betätigten Potentiometer 9 stammt. Das Sollwertsignal wird ebenfalls jedem Regler 5 und 6 zusammen mit der Verfahrensausgangsgröße zugeführt.
Die Ausführung nach Fig. 1 mit zwei Reglern ist ein einfaches Regelungssystem zweiter Ordnung. Systeme höherer Ordnung können durch die Hinzufügung weiterer Schaltregler vorgesehen werden.
Der durch Goodwin in "Some Observations on Robust Estimation and Control" - IFAC Identification and System Parameter Estimation 1985, S. 851-859 vorgeschlagene Delta-Operator kann zweckmäßigerweise zur Ableitung des Algorithmus für die Auswerteeinheit, die Steuereinrichtung und die Steuereinheit mit variabler Struktur verwendet werden.
In diesem Beispiel kann ein Vorwärtsdifferentialoperator d.h. der "Delta"-Operator D" durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
in der Z die Z-Transformierte darstellt und als Standard- Vorwärtsschiebeoperator in diskreter Systemanalyse aufgefaßt werden kann, und in der Δ die Abtastperiode ist.
Es wird daher die Voraussage eines zukünftigen Abtastwertes benötigt. Dies kann jedoch ausgeschlossen werden, wenn der Differentialoperator um einen Abtastwert verzögert wird.
d.h. Z&supmin;¹D = Z&supmin;¹ (Z-1)/Δ (2).
Wenn somit Δ T 0 bietet der Z&supmin;¹D-Operator eine bessere Annäherung der stetigen Ableitung. Bei der unmittelbar mit Z- Transformationen vergleichbaren diskreten Systemanalyse kann der Differentialoperator (2) normiert werden (Δ = 1), wodurch sich ein diskreter Differentialoperator der Form:
Z&supmin;¹D = Z&supmin;¹ (Z&supmin;1) (3).
ergibt.
Dieser diskrete Operator bietet einen eleganten Weg zur Darstellung diskreter Prozesse in Differentialform mit Polen und Nullstellen in der Einheitsebene. In der folgenden Analogie wird der diskrete Differentialoperator zur Formulierung eines diskreten Verschiebungskriteriums verwendet.
Wenn u(t) die Verschiebungsfunktion (oder das Umschaltsignal; erzeugt durch die Steuereinheit variabler Struktur) in der Phasenebene darstellt, wird eine Verschiebung durch folgende Ungleichung garantiert:
(t)d /dt < 0 (4)
mit (t) = x&sub2;+C x&sub1; (5)
wobei C = Steigung der Verschiebungsfunktion
x&sub1; = Prozeßausgang oder Fehler
x&sub2; = Änderungsrate von x&sub1;.
Der z&supmin;¹D-Operator kann zur Erzeugung einer diskreten Analogie des Verschiebekriteriums verwendet werden. Das bedeutet, daß
(t) d (t)/dt
geschrieben werden kann als
Z&supmin;¹( (t) D (t)).
Somit gilt:
(t) Z&supmin;¹((x&sub1;(t+1)-x&sub1;(t))+Cx&sub1;(t))
(D+C)x(t-1) (7)
und
d (t) Z&supmin;¹( (t+1)- (t))
(Z&supmin;¹(D+C)-Z&supmin;²(D+C)x&sub1;(t)
daher kann das Gleitkriterium (4) ausgdrückt werden als:
(Z&supmin;¹(D+C)-Z&supmin;²(D+C)x&sub1;(t) (t-1)< 0
Z&supmin;²(Z(D+C)-(D+C))x&sub1;(t) (t-1)< 0
((D+1)(D+C)-(D+C)x&sub1;(t-2) (t-1)< 0 (8).
Dies reduziert sich auf:
(D²+CD)x&sub1;(t-2) (t-1)< 0 (9).
Die Ungleichung (9) ist das erforderliche Basis-Verschiebekriterium in Differentialform, das jedoch nicht ausreicht für die Existenz einer Quasi-Schiebebewegung. Hierzu muß die Konvergenz der diskreten Zustände in dem Verschiebezustand garantiert werden. Um dies zu erreichen, muß die folgende Ungleichung erfüllt sein
Z-¹D (t) < 0.
Die Steuerstrategie und damit der vorstehend beschriebene diskrete variable Strukturalgorithmus ist insbesondere für die Steuerung von Prozessen mit magnetostriktiven Einrichtungen geeignet.
Neuere Arbeiten auf dem Gebiet der ferromagnetischen Materialien haben zur Entwicklung sog. "Riesenmagnetostriktivmaterialien" ("giant" magnetostrictive materials) geführt. Es gibt gegenwärtig zwei Zusammensetzungen von Riesenmagnetostriktivmaterialien unter Verwendung von Terbium, die dem Anmelder bekannt sind, nämlich:
i. Tb0,3Dy0,7Fe1,9-1.95
ii. Tb0,27Dy&sub3;Fe1,9-1,95
wobei Tb = Terbium, Dy = Dysprosium und Fe = Eisen und wobei sich die Nummern auf Atomverhältnisse beziehen.
Beide Zusammensetzungen können lineare Verformungen zwischen 1000 und 2000 ppm entwickeln in Abhängigkeit von dem Grad der auf das Material aufgebrachten Vorspannung und der Intensität des Magnetfeldes, das auf das Material einwirkt. Der Wirkungsgrad dieser beiden bekannten Zusammensetzungen in der Umwandlung der durch ein externes Magnetfeld zugeführten magnetischen Energie in Verformungsenergie, d.h. Verschiebung, kann bis zu 50 % oder sogar mehr betragen (die Zusammensetzung mit Tb0,27 hat einen etwas größeren Wirkungsgrad als die Zusammensetzung mit Tb0,3) und eine Stange aus Riesenmagnetostriktivmaterial kann unter einem externen einachsigen Druck von bis zu 100 MPa betrieben werden, obwohl der Durchmesser der Stange natürlich dessen maximale Tragfähigkeit bestimmen wird.
Obwohl die Eigenschaften der magnetostriktiven Materialien, und insbesondere der aus Terbium bestehenden Riesenmagnetostriktivmaterialien untersucht und wie in dem vorstehenden Absatz beschrieben wurden, konnten noch nicht viele zweckmäßige Anwendungen gefunden werden. Der Grund hierfür liegt in dem nichtlinearen Verhalten und in der Hysterese in der Deformations-Magnetfeldintensitäts-Kurve. Die Hysterese hängt von der Last und den Veränderungen der Materialeigenschaften ab. Wie vorstehend beschrieben, kann das nichtlineare Verhalten und die Hysterese durch die selbstanpassende Steuerung in befriedigender Weise ausgeglichen werden. Die Auswerteeinheit kann beliebigen Änderungen in der Steigung der Kennlinie folgen und die Steuereinheit mit variabler Struktur kann jede Hysterese berechnen.
Ein adaptiv gesteuertes magnetostriktives Stellglied gemäß der Erfindung wird im folgenden erläutert.
Ein magnetostriktives Stellglied umfaßt ein hohlzylindrisches Gehäuse, in dem eine rohrförmige Magnetspule und eine mit der Spule koaxiale Stange aus magnetostriktivem Material angeordnet ist. Die Länge der Stange ist größer als die des Gehäuses und ein Ende der Stange erstreckt sich somit durch und über eine Öffnung in einer Endfläche des Gehäuses hinaus. Die gegenüberliegende Endf läche des Gehäuses ist geschlossen und das andere Ende der Stange liegt an diesem an.
Ein Belastungskopf ist an der Endfläche des Gehäuses befestigt und nimmt das freie Ende der Stange in einer Längsbohrung auf, die sich über dessen gesamte Länge erstreckt. Innerhalb der Längebohrung sind eine Feder, ein Betätigungselement und ein mit einem Gewinde versehenes Verschlußelement angeordnet. Das mit einem Gewinde versehene Verschlußelement ist in dem äußeren Ende der Durchgangsbohrung im Belastungkopf eingeschraubt. Dieses Ende der Durchgangsbohrung ist zur Aufnahme des Verschlußelements mit einem Innengewinde versehen. Die Feder und das Betätigungselement sind innerhalb der Durchgangsbohrung im Belastungskopf zwischen dem Ende der magnetostriktiven Stange und dem Verschlußelement angeordnet und durch weiteres Hineinschrauben oder Herausschrauben des Verschlußelements aus der Durchgangsbohrung kann die Spannung der Feder zur Einstellung der auf die Stange ausgeübten Vorspannung eingestellt werden. Die Möglichkeit der Einstellung der Höhe der Vorspannung ermöglicht den Einsatz des Stellglieds in unterschiedlichen Betriebszuständen. Der Grad der Vorspannung wird in Übereinstimmung mit dem Druck in der Feder verändert, und es ist daher erwünscht, das Stellglied in der Mitte des Arbeitsbereichs der Feder einzusetzen. Die Feder wird derart ausgewählt, daß die Änderung der Vorspannung im Bereich von etwa 1 % gehalten werden kann, wenn sich die Stange ausdehnt. Die Vorspannung ist von besonderem Nutzen für Fälle, in denen die Stange aus kornorientierten Materialien besteht. Zusätzlich wird eine Feder mit einer hohen Reaktionskonstante ausgewählt, damit das Stellglied mit hohen Frequenzen arbeiten kann.
Ein Ende des Betätigungselements liegt an dem Ende der magnetostriktiven Stange an, das über die Endfläche des Gehäuses hinaussteht, und das andere Ende des Elements erstreckt sich durch die Bohrung des Verschlußelements und über das äußere Ende des Belastungskopfs hinaus. Im Betrieb ist das Betatigungselement mit einem Element verbunden, das gemäß einem durch die selbstanpassende Steuerung von Fig. 1 erzeugtes Prozeßsteuersignal verschoben werden soll. Dieses Signal wird der Magnetspule zugeführt.
Damit die einmal vorgespannte magnetostriktive Stange im linearen Bereich ihrer Verformungskennlinie arbeiten soll, muß sie vormagnetisiert werden.
Durch einen in dem Gehäuse angeordneten Permanentmagnet kann die Stange mit einer statischen magnetischen Vorspannung versehen werden.
Altvernativ hierzu wäre auch eine spannungsführende Spule in gleicher Weise geeignet. Es ist erforderlich, daß die Vormagnetisierung ein Teil desselben Magnetkreises wie die Stange bildet. Mit der Vormagnetisierung durch einen Permanentmagnet kann der effektive Grad der Vorspannung durch Bewegung eines Teils aus einem Material hoher Permeabilität über den Magnet oder durch Entfernung eines Teils des Magneten von dem Magnetkreis verändert werden, um so erforderliche Einstellungen unter Beibehaltung der Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Im Fall einer Gleichstrommagnetspule wird die Vormagnetisierung durch Veränderung des angelegten Stroms verändert.
Wenn die magnetische Vorspannung durch eine Spule oder durch einen Dauermagneten erfolgt, ist die Stange vorzugsweise in einen Magnetkreis eingeschlossen, so daß der Großteil des durch die Magnetspule oder durch die magnetische Vorspannung erzeugten Magnetflusses durch die Stange verläuft. Zu diesem Zweck besteht das Gehäuse aus einem Material hoher Permeabilität, das eine durchgehende Magnetflußrückführung mit geringem Widerstand aufweist. Die Magnetflußrückführung durch das Gehäuse muß eine größere magnetische Permeabilität als entweder der Dauermagnet oder die Stange aufweisen, jedoch muß die Querschnittsfläche der Magnetflußrückführung derart ausgewählt sein, daß das verwendete Material weder gesättigt ist noch eine übermäßige magnetische Energie erfordert, um den Magnetfluß für die Stange zu gewährleisten.
Wenn an die Spule im Einsatz ein Steuersignal angelegt wird, entsteht ein Magnetfeld und ein magnetischer Fluß in der Stange. Dies bedeutet, daß sich die Stange in ihrer Länge entweder zusammenzieht oder über den durch den Dauermagnet vorgegebenen Vorspannpunkt verlängert. Mit der Länge der Stange verändert sich natürlich auch die Lage des Endes des Betätigungselements. Das Betätigungselement kann somit dazu verwendet werden, eine andere Einrichtung oder einen Mechanismus durch Verschiebung zu betätigen.
Eine typische magnetostriktive Stange aus einer der vorgenannten Zusammensetzungen kann sich in Abhängigkeit von der auf das Material aufgebrachten relevanten optimalen Vorspannung zwischen 1000 und 2000 ppm verformen und kann mit einer äußeren Druckbelastung von etwa 100 MPa betrieben werden. Dies wird bei einer Stange mit einer Länge von etwa 142 mm in eine Längenänderung von etwa 0,12 mm umgewandelt und diese Längenänderung tritt sogar bei Drücken bis zu 100 MPa auf. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Verschiebung des zu betätigenden Mechanismus kann der Ausgang des Stellglieds durch ein mechanisches Verstärkersystem, wie z.B. Hebel oder Zahnräder, verstärkt werden.
Das selbstanpassende Steuerungssystem gemäß Fig. 1 in Verbindung mit dem vorstehend erläuterten magnetostriktiven Stellglied kann zur Steuerung von Hydraulikventilen verwendet werden.
Magnetisch zurückgestellte Ventile können nicht gesteuert werden (d.h. das Ventil ist entweder geöffnet oder geschlossen) und je größer die zur Betatigung des Ventil benotigte Energie ist, desto unkontrollierter ist dessen Bewegung. Eine Steuerung kann erreicht werden, indem der Schaltmagnet durch einen elektrischen Motor ersetzt ist, was jedoch zu Lasten der Betätigungsgeschwindigkeit geht.
Bei der Verwendung eines durch ein adaptives Steuerungssystem gesteuerten magnetostriktiven Stellglieds gemäß der Erfindung zur Betatigung eines Ventils, kann sowohl eine hohe Geschwindigkeit als auch eine gesteuerte Betätigung erreicht werden. Das Ventil könnte auf Wunsch vorbestimmte Strömungsmengen liefern und wäre im Gegensatz zu motorisch betriebenen Ventilen störungssicher.
Ein Stellelement eines magnetostriktiven Stellglieds der vorbeschriebenen Art ist beispielsweise über ein mechanisches Verstell- Verstärkerhebelsystem mit einer 5/2-Wechselventileinheit verbunden. Die Ventileinheit weist den üblichen Aufbau auf. Eine detaillierte Beschreibung ist daher nicht erforderlich. Es erübrigt sich daher zu erläutern, daß es einen Steuerkolben umfaßt, der innerhalb des Ventilkörpers gegen eine an dessen beiden Enden vorgesehene Rückstellfeder axial verschiebbar ist, um einen Flüssigkeitsstrom zwischen den Einlaß/Auslaßöffnungen zu steuern.
Es sind Einrichtungen zum Erhalt von Informationen bezüglich der Betriebsbedingungen des Ventils vorgesehen. Diese Informationen umfassen die Stellung des Steuerkolbens, den Differentialdruck über das Ventil und/oder die Forderung des Benutzers (d.h. den Eingangssollwert). Diese Informationen werden von dem adaptiven Steuerungssystem gemäß Fig. 1 zur Erzeugung geeigneter Eingangssteuersignale an das Stellglied verwendet und stellen dadurch sicher, daß das Stellelement in die richtige Richtung und um den gewünschten Betrag verschoben wird, um die gewünschten Betriebszustände zu erreichen.
Da der tatsächliche Verschiebungsbetrag des Endes des Stellelements gering ist, d.h. im Bereich von 0,12 mm, ist zwischen dem Ventilsteuerkolben und dem Stellelement ein Verstärkersystem vorgesehen. Dieses verstärkt die Bewegung in dem Verhältnis von etwa 70:1, was zu einer Maximalverschiebung des Steuerkolbens von 8 mm führt. Ansprechzeiten von 1 ms oder weniger können erreicht werden und eine Minimalkraft von etwa 8 kg wird auf die Steuerkolbenrückstellfeder ausgeübt.
Gemäß Fig. 2 werden die Signale von einem Differentialdrucksensor 32, einem Steuerkolben-Stellungssensor 33 und einem Sollwert-Wandler 34 in ein adaptives Steuerungssystem 35 der beschriebenen Art eingegeben. Das Steuerungssystem 35 erzeugt somit ein Eingangssteuersignal für die Magnetspule des magnetostriktiven Stellglieds 21 zum Erhalt einer vorgegebenen Verschiebung des Stellelements 20 und somit des in der Ventileinheit 22 enthaltenen Ventilsteuerkolbens.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel des adaptiven Steuerungssystems von Fig. 1 und eines magnetostriktiven Stellglieds sind Antivibrationstische. Ein typischer Tisch umfaßt ein horizontales Element, das die Tischoberseite bildet und an jeder Ecke durch einen in Linearlagern angeordneten Führungsfuß abgestützt ist. Mittig unter dem Tisch ist ein magnetostriktives Stellglied angeordnet. Das Stellglied umfaßt ein Gehäuse mit einer darin angeordneten magnetostriktiven Stange und einer Magnetspule. Das Gehäuse sitzt auf dem Boden und die Stange trägt den Mittelteil des Tisches. Es können mehr als ein Stellglied verwendet werden, wenn eines für die Arbeitslasten des Antivibrationstisches nicht ausreicht.
In den Führungsbeinen des Tisches oder dem Boden sind Vibrationssensoren vorgesehen und der Ausgang dieser Sensoren wird einem erfindungsgemäßen adaptiven Steuerungssystem als Eingang zugeführt. Das Steuerungssystem erzeugt ein Steuerungssignal, das beim Anlegen an die Magnetspule des magnetostriktiven Stellglieds dazu führt, daß sich die Stange um einen gleichen, jedoch relativ zum Boden entgegengesetzten Betrag bewegt. Wenn mit anderen Worten der Boden z.B. mit einer Amplitude von 0,1 mm und einer Frequenz von 10 Hz schwingt, schwingt die magnetostriktive Stange mit derselben Frequenz und Amplitude jedoch in Gegenphase zum Eingangssignal auf und ab, was dazu führt, daß die Tischoberseite stationär bleibt.
Es ist ersichtlich, daß sich die Tischoberfläche nach oben und unten relativ zum Boden bewegen kann (die Führungsbeine sind in den Linearlagern verschiebbar gehalten) jedoch im Raum eine konstante Stellung beibehält und daher stationär ist. Jede Bewegung des Bodens wird durch die Stelleinrichtung kompensiert, die die Tischoberfläche trägt.
Die hier beschriebenen Antivibrations-Techniken können auch bei der Vibrationssteuerung von Schlepp-Sonarleitungen eingesetzt werden. Es wurde jedoch herausgefunden, daß die in einer typischen Schleppleitung erzeugten Arbeitslasten für ein einzelnes magnetostriktives Stellglied nicht geeignet sind. Die Lösung dieses Problems liegt in der Verwendung von mehreren nebeneinander angeordneten Stellgliedem, die von einem adaptiven Steuerungssystem parallel betrieben werden.

Claims

1. Magnetostriktives Stellglied zur Steuerung einer Vorrichtung, mit:

einem zylindrischen Gehäuse, das ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist;

einer in dem Gehäuse gehaltenen Stange aus magnetostriktivem Material, wobei ein festes Ende der Stange an dem geschlossenen Ende des Gehäuses anstößt; einem in dem Gehäuse angeordneten und mit der Stange magnetisch gekoppelten Elektromagnet;

und

einem auf ein extern erzeugtes Bedarfssignal ansprechendes Steuerungssystem zur Erzeugung eines Steuersignals für den Elektromagnet, wobei das Steuersignal und der Elektromagnet ein entsprechendes Magnetfeld innerhalb der Stange induzieren;

gekennzeichnet durch

einen Belastungskopf, der an dem offenen Ende des zylindrischen Gehäuses befestigt ist und das andere, freie Ende der Stange innerhalb einer Axialbohrung aufnimmt, die sich über seine gesamte Länge erstreckt; ein Verschlußelement, das mit der Axialbohrung in Eingriff steht und einen Hohlraum zwischen dem freien Ende der Stange und dem Verschlußelement begrenzt;

einer in dem Hohlraum angeordneten und zwischen dem Ende der Stange und dem Verschlußelement zusammengedrückten Feder zur Ausübung einer einstellbaren Axialdruckspannung auf das freie Ende der Stange; und

ein Betätigungselement, das sich durch das Verschlußelement erstreckt und in Kontakt mit der Stange steht, wobei die Axiallage des Betätigungselements relativ zum Belastungskopf auf die Länge der Stange anspricht und das Betätigungselement mit der zu steuernden Vorrichtung verbindbar ist;

wobei die Steuerung umfaßt:

eine Auswerteeinheit (2) zur Lieferung von Modellparametern der Reaktion des Steuerungssystems auf eine externe Störung;

eine auf die Auswerteeinheit ansprechende Steuereinrichtung (4) zum Vergleich des von der Auswerteeinheit gelieferten Modells mit den gewünschten Parametern und zur Erzeugung von Rückführsignalen als ein Ergebnis eines derartigen Vergleichs;

zwei Schaltfilter (5, 6) jeweils zum Anlegen positiver und negativer Rückführsignale an den Steuerstrom; und eine Steuereinheit mit variabler Struktur (8) zur Steuerung der Schaltung zwischen den zwei Filtern in Abhängigkeit von dem Bedarfssignal.

2. Magnetostriktives Stellglied nach Anspruch 1, bei dem das Verschlußelement einstellbar und in die Axialbohrung eingeschraubt ist, wobei die Drehung des Verschlusses zu einer Axialbewegung des Verschlusses, einer Längenänderung des Hohlraumes und einer Veränderung der durch die Feder auf das freie Ende der Stange ausgeübten Axialspannung führt.

3. Magnetostriktives Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse einen Vormagnetisierungs-Permanentmagnet aufnimmt, der zusammen mit der Stange einen Magnetkreis umfaßt, wobei das Stellglied ferner eine Einrichtung zur Veränderung des Magnetflusses in der Stange aufweist, mit einem aus einem Material mit hoher Permeabilität bestehenden Element, das zur Veränderung des Vormagnetisierungsflusses durch die Stange über den Permanentmagnet bewegbar ist.