BRPI0614982A2

BRPI0614982A2 - processo de regulagem e regulador para um sistema mecánico-hidráulico

Info

Publication number: BRPI0614982A2
Application number: BRPI0614982-0A
Authority: BR
Inventors: Georg Keintzel; Gernot Grabmair; Kurt Schlacher
Original assignee: Siemens Vai Metals Tech Gmbh
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2011-04-26
Also published as: RU2411402C2; UA93514C2; ATE499641T1; ES2360877T3; AT502348A2; CN101243362B; RU2008110065A; SI1915650T1; EP1915650A1; AT502348B1; DE502006008950D1; EP1915650B8; CN101243362A; CA2618143A1; MX2008002059A; WO2007020126A1; EP1915650B1; AT502348A3; US8099196B2; US20080243274A1

Abstract

PROCESSO DE REGULAGEM E REGULADOR PARA UM SISTEMA MECáNICO HIDRáULICO. Processo de regulagem e regulador para um sistema mecânico-hidráulico com um grau de liberdade por atuador hidráulico como trecho de regulagem e um sensor de medição (6) para a medição da pressão p~h~ de um cilindro hidráulico (3) e um sensor de medição (8) para medição da posição X~h~ do pistão do cilindro hidráulico (3), sendo que está prevista uma unidade de regulagem com as grandezas de entrada pressão hidráulica P~h~ e posição de atuador hidráulico X~h~, na unidade de regulagem está implementado um observador para determinação da pressão teórica do sistema hidráulico e da velocidade V~h~ do atuador hidráulico (3) e no conjunto de regras do regulador é considerada a pressão teórica na regulagem e a velocidade V~h~ do atuador hidráulico é conectável como atenuação da regulagem.

Description

PROCESSO DE REGULAGEM E REGULADOR PARA UM SISTEMA MECÂNICO-

HIDRÁULICO

A presente invenção se refere a ura processo deregulagem para um sistema mecânico-hidráulico com um graude liberdade por atuador hidráulico como trecho deregulagem, e a um dispositivo para implementar o processo.

Sistemas mecânico-hidráulicos com um grau deliberdade (mecânico), e também sistemas, nos quais, porexemplo, uma peça mecânica com um grau de liberdade(sistema de carga) é acionada através de um cilindrohidráulico (atuador), existem na prática em diferentesconstruções, como, por exemplo, como cilindro de cesto deuma bobina, como suspensor de eslingas entre duas cadeirasde um trem de laminação, mas também em aplicações gerais,como mesas posicionadoras, mesas vibratórias etc. Essessistemas têm em comum, deles serem basicamente oscilantes,devido à coluna de óleo hidráulico no cilindro hidráulico,ou outros elementos -elásticos no sistema de carga. Comoexemplos representativos, não limitadores da validadegeral, são aqui citadas aplicações, nas quais, por exemplo,um cilindro linear hidráulico movimenta giratoriamente umamassa apoiada, por exemplo, um cilindro de cesto, suspensorde eslingas etc. Em tais sistemas é demonstrado umcomportamento oscilante desenvolvido através da coluna deóleo hidráulico, atuando como uma mola. Isto se traduz emuma tendência oscilante indesejada do sistema global, emdeterminados locais da resposta de freqüência. Asfreqüências de ressonância neste caso presentes sãobasicamente definidas pela massa equivalente do sistemamecânico, pelas relações geométricas, bem como pelaconstante de mola equivalente das elasticidades presentes,como, por exemplo, da capacidade de compressão da coluna deóleo, e/ou da elasticidade de uma cadeira de laminação etc.Para tais sistemas com freqüências de ressonânciadesenvolvidas é agora característico, que eles tendem aoscilar (com atenuação) em presença de intervençõeslocalizadas pelo exterior. No caso de procedimentosreguladores, que possuam como objetivo, por exemplo, oacionamento de uma nova estação de trabalho, ou a correçãode uma interferência externa, essas oscilações provocamvariações transientes das grandezas físicas extremamenteindesejadas nos procedimentos reguladores. No exemplo dosuspensor de eslingas acima citado, isto se traduz emoscilações na tração da tira, que por sua vez conduzem alimitações indesejadas da tira. Em cilindros de cesto,essas oscilações da pressão do cilindro de cesto sobre atira podem acarretar em danos superficiais através deindentações.

Na prática atual, portanto, os reguladores sãomuitas vezes ajustados de modo muito lento, a fim de manterpossivelmente baixas as excitações dessas oscilaçõesindesejadas. Uma possibilidade conhecida através daliteratura padrão é o emprego dos, assim chamados, 'filtrosNotch', filtros eliminadores de banda estreita, que tendema impedir a incitação das oscilações por parte doregulador, através do corte dirigido da faixa defreqüências, a fim de evitar a freqüência de ressonância dosistema a ser regulado na grandeza reguladora. Uma sériadesvantagem deste método, especialmente nas aplicaçõescitadas, é o fato da característica do sistema mecânicopermanecer inalterada e, muito embora o regulador em sievite uma incitação da oscilação, de interferênciasexternas não detectáveis provocarem ainda oscilações nosistema. As freqüências de ressonância são tambémdependentes da estação de trabalho escolhida.

Um importante agravante nesses sistemas reside,porém, que eles, como citado, apresentam em geral umcomportamento não-linear. Os métodos conhecidos, como oemprego de filtros Notch, são métodos da técnica deregulagem linear, e possuem validade em sistemas não-lineares somente nas proximidades da estação de trabalho,para a qual o trecho não-linear foi aproximado por umsistema linear. Porém, é prontamente compreensível, porexemplo, em acionamentos lineares hidráulicos, que afreqüência de ressonância também é alterada com a variaçãoda posição do pistão do acionamento hidráulico, e assimtambém da coluna de óleo. No método acima descrito, existea possibilidade de escolher um filtro Notch muito largo, oque limita, por sua vez, a dinâmica do sistema global.

Assim, uma tarefa da invenção é desenvolver umprocesso de regulagem ou um regulador, que estabilize ossistemas mecânicos com um grau de liberdade por atuadorhidráulico, portanto, um sistema global geralmente não-linear em toda a faixa operacional e, ao mesmo tempo,melhore o comportamento oscilante do sistema mecânico-hidráulico e, de modo particular, reduza a tendênciaoscilante do sistema mecânico, pela introdução de umaatenuação ativa.

Essa tarefa é solucionada para o processo deregulagem, através dos aspectos caracterizantes dareivindicação 1, e para o regulador, através dos aspectoscaracterizantes da reivindicação 10. No processo deregulagera, a pressão teórica do sistema hidráulico Λ, depreferência como expressão § considerada na

regulagem (por exemplo, regulagem da posição), e/ou avelocidade vh do atuador hidráulico, por exemplo, do pistãode um cilindro hidráulico, é conectada como atenuação deuma regulagem, por exemplo, combinada com uma função geralC3, por exemplo, através de um fator de atenuação kd (com aatuação de uma atenuação adicional com parâmetrosajustáveis), sendo que o valor teórico Λ e/ou a velocidadede atuador hidráulico vh são determinados por umobservador.

O regulador, de acordo com a invenção, contém umsensor de medição para a medição da pressão ph de umsistema hidráulico, p.ex. de um cilindro hidráulico, e umsensor de medição para medição da posição xh do atuadorhidráulico, por exemplo, do pistão de um cilindrohidráulico, caracterizado pelo fato de que está previstauma unidade de regulagem com as grandezas de entradapressão hidráulica ph e posição de atuador hidráulico xh,na unidade de regulagem está implementado um observadorpara determinação da pressão teórica Λ e/ou da velocidadevh do atuador hidráulico e, no conjunto de regras doregulador, é considerada a pressão teórica Λ, depreferência como expressão ^h ' ^^ na regulagem, e/ou avelocidade vh do atuador hidráulico é considerada comoatenuação, portanto combinada com uma função detransferência geral C3 (por exemplo, no caso mais simplesuma expressão proporcional kd) (por exemplo, conectável naregulagem). Adicionalmente pode ser previsto, que aaceleração ah medida do atuador hidráulico, relativa aoreceptáculo (por exemplo, alojamento do cilindrohidráulico) retendo o meio hidráulico aplicador de umaforça sobre o atuador hidráulico, combinada em regra geralcom uma função de transferência geral C4, é conectada àregulagem.

Assim, nenhuma medição direta de Λ ou vh se faznecessária, estando essas, porém, disponíveis, elas podemser naturalmente empregadas.

Na invenção, somente a pressão teórica ousomente a velocidade vh do atuador hidráulico, podem fluirno sistema hidráulico, ou ambas as grandezas podem fluir naregulagem.

Esse processo de regulagem ou esse reguladorestabiliza todo o sistema mecânico-hidráulico com um graude liberdade, independente da escolha da grandezareguladora, como, por exemplo, posição ou pressão (ou forçareguladora). Além disso, ele está em condições de amortecerefetivamente o sistema, em que ele extrai energia dosistema oscilável, de maneira apropriada. Com isso, elereduz ativamente a tendência oscilante do sistema reguladoou suprime substancialmente, no caso ideal, a oscilação dosistema. O processo de regulagem oferece a possibilidade deincluir a atenuação ativa em diferentes valores no sistema,com o que a atenuação efetiva do sistema pode ser tambémregulada de maneira flexível.

O processo de regulagem é ainda caracterizado poruma robustez especial. Também nas variações das condiçõesfísicas, como, por exemplo, da capacidade compressora dacoluna de óleo hidráulico, bem como na ocorrência de certosvazamentos no atuador hidráulico, o regulador está emcondições de estabilizar com segurança o sistema global(sistema de carga + sistema hidráulico) em toda a regiãoconfinada, exclusivamente pela construção mecânica. Comisso, as variações indesejadas das grandezas reguladoras,como, por exemplo, tração da tira ou força sobre a tira emlaminadores, que por sua vez se traduziriam em perdas dequalidade, são efetivamente reduzidas ou evitadas.

Além disso, os circuitos reguladores, otimizadospela atenuação ativa introduzida, podem ser ajustados demodo substancialmente mais rápido, o que, por sua vez, podeproduzir melhorias de qualidade ou aumentos de produção,visto que, por um lado, interferências podem sercontroladas de maneira mais rápida e eficaz e, por outrolado, valores teóricos são alcançados de maneira maisrápida.

Outras modalidades especialmente preferidasresultam das reivindicações independentes e dessa descriçãoda invenção.

A presente invenção é, a seguir, inicialmentedescrita para sistemas mecânico-hidráulicos em geral com umgrau de liberdade por atuador hidráulico e, depois, combase em duas aplicações especiais exemplificantes e nãolimitadoras, com auxílio das figuras 1 a 5 esquemáticasexemplificantes e não limitadoras. Aqui é mostrado:

na fig. 1, uma representação esquemáticagrosseira de um cilindro de cesto;

na fig. 2, uma abstração do cilindro de cesto,como sistema de massa flexível;na fig. 3, uma representação esquemática dasrelações geométricas no cilindro de cesto;

na fig. 4, uma representação esquemática doobservador; e

na fig. 5, uma representação esquemática doconceito de regulagem.

Descrição Geral

Em geral, sistemas mecânico-hidráulicos podem sermontados com um grau de liberdade, a partir do ponto devista da modelagem, através de um sistema mecânico não-linear de carga, considerando as circunstâncias (porexemplo, cilindro de cesto, braço de robô, sistemaatenuador de massa flexível etc., mas também, por exemplo,somente a massa cilíndrica do atuador em si) , e de umsistema atuador geralmente não-linear (desenvolvimento dapressão ou das pressões) , o qual é alimentado através deuma ou mais válvulas hidráulicas. A fim de, agora, aplicara condição desejada ao sistema global, a quantidade defluido, que se encontra no atuador, é fornecida de maneiraapropriada e alimentada através de uma ou mais válvulashidráulicas. Para isso, é levado em conta o comportamentoelástico do fluido hidráulico, de modo apropriado. Se ascondições físicas do sistema de carga e, assim, do Λ nãoforem conhecidas de modo exato o suficiente, por exemplo,existir uma força geral externa desconhecida, a quantidadede fluido não pode ser, no momento, fornecida. Por estemotivo, um observador é projetado para a quantidade defluido, que é necessária para a condição desejada dosistema de carga. Esse observador geralmente não-lineartambém pode ser concebido sem medição da velocidade geraldo sistema de carga, sem prejudicar, com isso, sua função.O regulador em si utiliza, agora, os dados conhecidos, ouaqueles obtidos do observador, sobre a quantidade de fluidonecessária, a fim de regular a condição desejada do sistemaglobal.

Caso a atenuação mecânica do sistema de carga nãoseja suficiente, ou não seja fornecida de modo adequado,isto pode ser combinado com o processo acima descrito. Paraisso, um sinal relativo à velocidade geral do sistema decarga é adicionado ao sinal corretivo do regulador ou docomponente de regulagem acima. Esta influência da atenuaçãopode ser também realizada com uma aproximação da velocidadegeral do observador acima, ou de outro apropriado.

Para todas as variantes mencionadas da regulagem,se acha à disposição um comprovante completo daestabilidade do sistema global controlado.

Expressão Corretiva para Considerar a PressãoTeórica

A equação fundamental de um cilindro hidráulico(de efeito simples) controlado por uma válvula servo éconhecida o suficiente, e resulta, sob determinadashipóteses físicas, por exemplo, em

<formula>formula see original document page 9</formula>

onde ph é a pressão na câmara atuada pelo servo docilindro, A é a superfície do pistão, vh é a velocidade dopistão, qv é o fluxo da válvula servo no cilindrohidráulico, C é o vazamento no cilindro hidráulico, E é omódulo de elasticidade do óleo hidráulico, e Vact é o volumede óleo na câmara acionadora. A equação acima pode sertambém estendida para outras variantes de atuadoreshidráulicos (como, por exemplo, um cilindro de dupla ação),conforme igualmente conhecido o suficiente através daliteratura pertinente. Porém, para apresentar a invenção, ésuficiente descrevê-la apenas em um cilindro de simplesação. Conforme visível através da equação acima, variaçõesde pressão ocorrem, portanto, através de variações dovolume por movimentos do pistão, variações da compressão doóleo por alimentação de óleo (na posição constante dopistão), bem como eventuais vazamentos no cilindro. Avariação em si é em função do volume atual da câmara ou daposição atual do pistão.

Como identificável de modo simples, a equaçãofundamental acima não é linear. Além disso, a velocidade dopistão se encontra inserida nessa equação que, ao contrárioda posição do pistão, não é geralmente medida, ou pode sermedida. Além disso, a diferenciação da posição medida do.pistão fornece um resultado praticamente não mensurável,devido a questões de quantificação e medição. Assim, apenasa posição real e a pressão real da câmara hidráulicaacionada se acham à disposição em aplicações típicas, comograndezas de medição direta e utilizável para umalinearização.

Agora, através dos métodos não-lineares datécnica de regulagem conhecidos na literatura, permite-seachar uma linearização, que opera com este limitadoconjunto de dados de medição. Em uma lei de regulagemdessas, pode agora ocorrer o erro relativo da pressãohidráulica da câmara acionada, com respeito à pressãoteórica ^^^ (onde essa pressão teórica é definida poruma posição teórica presumível e o sistema de carga).

Esses métodos e uma lei de regulagem dessas sãodescritos em detalhes em diversas publicações.

• G. Grabmair, K. Schlacheri A. Kugi (2003): "Geometric Energy Basad Analysts andControiler Design of HydraulicAetuators Applied in Rolling Mills", ECC03 CD publica-tion, 421.pdf, Cambridge1 Great Britain.

• Kugi A.: 'Nonliriear Control Based on FhysJeaI Models", Leclure Notes in Control andInformation Sciences 260, Springerj 2000.

Além disso, isso é também descrito na EP 992 295A2 do depositante, que faz parte desta divulgação.

Caso se conduza a colocação hidráulica naregulagem da posição, esse valor teórico A não é a prioritipicamente conhecido (já que ele, por exemplo, podedepender a priori fortemente de forças externas de ataquedesconhecidas, ou da elasticidade, cujo valor numéricoexato não é conhecido) . Se o valor teórico A não forconhecido, a expressão precisa ser desprezada.

Pesquisas do depositante, por meio de simulaçõese considerações teóricas, porém resultaram que essedesprezo possui um efeito desestabilizante. Levando emconta essa expressão, o circuito regulador fechadoapresenta, ao contrário, uma melhor condição de atenuação,pelo qual o regulador também pode ser ajustado de maneirasubstancialmente mais rápida. Isto pode ser identificadotambém por uma análise energética do sistema global, onde aatenuação mecânica é diminuída sem essa expressão.

A descrição a seguir da invenção apresenta,agora, maneiras para determinar a grandeza A.

Para isso, é inicialmente montado, de maneiragenérica, um modelo matemático (ou uma descrição desituação) do trecho de regulagem, a saber, do sistemamecânico-hidráulico com um grau de liberdade. Um modelogenérico desses pode ser, por exemplo, derivado da fórmulade Lagrangef isto é, através de expressões de energia,empregadas regularmente na técnica de regulagem esuficientemente conhecidas. A conhecida função de LagrangeL permite ser, com isso, escrita para um sistema mecânico-hidráulico com um grau de liberdade, como diferença entre aenergia cinética e a potencial,

<formula>formula see original document page 12</formula>

Aqui, m(q) é a matriz de massa generalizada, q são ascoordenadas generalizadas, ^ é variação de tempo, e V(q) éo potencial. Com a força hidráulica Fh como início,resultam equações de estado do trecho de regulagem, com ascoordenadas generalizadas q e o impulso P como grandezas deestado, que representam a base para todos os casos deaplicação de sistemas mecânico-hidráulicos com um grau deliberdade por atuador hidráulico.

<formula>formula see original document page 12</formula>

O símbolo õq significa, aqui, a derivaçãoparcial, no sentido das coordenadas generalizadas q.

Essa representação geral da equação de estado deum sistema mecânico-hidráulico com um grau de liberdadedeve ser adaptada de acordo para o respectivo caso deaplicação, isto é, algumas hipóteses devem ser assumidas,que devem ser adaptadas a aplicações distintas. O exemplo aseguir deve ressaltar uma adaptação dessas, sem limitaçãoda generalização, e apresentar o algoritmo para obtenção deΛ.

Exemplo

Ajuste Hidráulico (de ação simples) de umaCadeira de Laminação:

A seguir é previsto um sistema hidráulico, queatua contra um sistema de massa elástica. Aqui resultam asseguintes hipóteses:

- Massa e atenuação são independentes da posição.

- 0 potencial geral V(q) pode ser explicitamentedesmembrado em um potencial de mola aum potencial de uma força de carga constante F1. q, e umaexpressão residual aqui ainda formulada de forma geral.

Dai segue na equação de estado geral, empregadapara o trecho de regulagem:

<formula>formula see original document page 13</formula>

Essa equação de estado forma, então, a base, parase poder determinar a pressão teórica Λ através de umobservador. Para isso é, agora, empregada uma transformaçãode estado, para que o modelo se torne linear ao observador,pelo qual se torna possível um projeto de observadorlinear. Para a transformação de estado, são combinados oscomponentes para a nova entrada Uobs resultantes da força dagravidade e da força hidráulica,

<formula>formula see original document page 13</formula>

Com isso, conforme descrito a seguir, um observador podeser desenvolvido para o estado de equilíbrio estacionáriode Uobs- Para o estado de equilíbrio, = 0 deve valernaturalmente. A transição de q para o desvio ^imit? ^ ?resulta em um conjunto consistente de equações de estado.De modo formal, a terceira equação de estado para U<>hs éainda descrita.

<formula>formula see original document page 14</formula>

C1 como constante de mola do sistema de carga (por exemplo,elasticidade do material) pode ser, assim, explicitamenteobtida do observador (o qual pode ser especificado,conforme desejado). Com isso, o observador se torna robustocontra oscilações/ incertezas, por exemplo, da elasticidadedo material. A força de carga será aqui admitida comoconstante, a fim de poder desenvolver um observador linear.Ao mesmo tempo, uma 'atuação integral' do observador, quepermite um erro zero.

Essa equação de estado do observador com o estadotransformado Uobs pode ser, então, resolvida com métodosconvencionais da técnica de regulagem, por exemplo, com aequação do observador de forma contínua e com a fórmula deAckerman, para o estado de equilíbrio estacionárioprocurado de uobs. Aqui, não se deve entrar em detalhessobre esses métodos gerais da técnica de regulagem, maseles podem ser supostos como conhecidos. A partir daí, apressão de equilíbrio estacionaria procurada Ã pode serdeterminada, levando em conta a transformação de estadoescolhida. As grandezas determinadas pelo observador são, aseguir, caracterizada por um teto, por exemplo, Ã. Com-à<v+à<,xi>(q)F* e fU=a Phi segue agora imediatamente Ã, peloqual a grandeza procurada é determinada da forma geral.Além disso, o observador fornece, porém, ainda o impulso,conforme é visível a partir das equações abaixo, que podeser igualmente empregadas, como será ainda explicadoabaixo.

Exemplo

Ajuste Hidráulico do Cilindro de Cesto de umaBobina

A fim de ilustrar o emprego e demonstrar avalidade geral das equações gerais acima descritas, outroexemplo concreto é explicado, com base em um sistemamecânico-hidráulico com um grau de liberdade na forma de umcilindro de cesto de uma bobina. Além do delineamento dadeterminação de p>>, é apresentada a formação ativa daatenuação. Para compressão da chapa durante o processo deenrolamento na bobina de um laminador de tiras a quente,são empregados os, assim chamados, cilindros de cesto (demodo característico, de três a quatro cilindros de cesto emtorno do perímetro), conforme representado esquematicamentena fig. 1. O cilindro de cesto 1 comprime a chapa sobre umcilindro hidráulico 3, onde a válvula servo não está aquidemonstrada, de encontro à bobina 2. Com isso, não só ocilindro hidráulico, como também o braço do cilindro decesto 4, são alojados giratoriamente. O pistão do cilindrohidráulico 3 também é alojado giratoriamente no braço docilindro de cesto 4. A fig. 2 mostra o mesmo sistemaabstraído como sistema mecânico de massa elástica com braçode alavanca, que é empregado como modelo para as seguintesconsiderações.

De maneira distinta ao exemplo anterior, umamatriz de massa não constante resultaria através da escolhadas coordenadas de cilindro, como coordenadas locaisgeneralizadas q. Existe agora a possibilidade geral derealizar uma transformação de coordenadas, a qual sempreexiste e também pode ser calculada, devido à planicidade dosistema métrico de massas (o sistema métrico induzido pelamatriz de massa), assim que a matriz de massa érepresentada como constante nas coordenadas transformadas.No presente exemplo, isto é alcançado de maneira simples,através de uma simples transformação geométrica para α, oângulo de incidência do cilindro de cesto.

Em geral, porém, essa transformação decoordenadas (e a transformação da variável corretiva paraûObs) não precisa ser explicitamente realizada, quando elasforem consideradas implicitamente em uma forma não-lineardo observador, o que é possível, já que um sistema deequação diferencial completo para o observador não-linear éapresentado em coordenadas gerais. Nesta forma deobservador, pode-se trabalhar também com matriz de massanão-constante.

Neste exemplo, porém, as transformações decoordenadas e da variável corretiva são representadasexplicitamente.

Hipóteses válidas são empregadas para a aplicaçãoconcreta das equações de estado do trecho de regulagem:

- q = a, o ângulo de incidência do cilindro decesto é empregado como coordenada local (transformação decoordenadas), pelo que resulta 9 ~ω t com ω igual àvelocidade angular.

- m(g) corresponde a uma matriz de massa, no casogeral dependente da coordenada local q, que em princípiopode ser empregada para o projeto do observador. Como acimacitado, o ângulo de incidência neste exemplo é, porém,escolhido como coordenada local, de preferência (e pormotivos de clareza) com q = a, pelo qual m(q) correspondeao momento de inércia θ do cilindro de cesto e é constante,pelo que resulta <formula>formula see original document page 17</formula>

- d(q) - d = const. , a atenuação é, com isso,independente da posição.

-O potencial V é composto de um momento de cargaM1 e da força da gravidade. Em princípio, também aqui épossível (de modo análogo ao acima) levar em conta umaelasticidade Cj

<formula>formula see original document page 17</formula>

Essas hipóteses levam ás seguintes equações:

<formula>formula see original document page 17</formula>

A partir das relações geométricas no sistema demassa elástica abstraído, outras relações podem serderivadas, e a equação acima permite ser transformada. Afig. 3 mostra uma possível variante inclusive das grandezasgeométricas, que podem ser empreaadas.

- Conforme citado, <formula>formula see original document page 17</formula> corresponde aopotencial da força da gravidade.

Conforme acima mostrado de maneira geral, atransformação da variável corretiva é agora realizada paraum nova entrada uobs da formula <formula>formula see original document page 17</formula>concreto de aplicação, conduz a <formula>formula see original document page 17</formula>resulta novamente em P Q ® **obs M1 na formuia geralcom uma elasticidade C1, se chega a u^ ~~ + C' ^"

Com o emprego formal do novo estado bem comoa conversão das coordenadas relativas para q, resultamentão as seguintes equações finais de estado para oobservador

A partir dessa equação, o estado ^^^ pode ser,então, novamente determinado. Através do retorno dascoordenadas gerais para as coordenadas medidas, aqui xh, Pkpode ser novamente determinado.

Com esse método, inicialmente geral e, a seguir,apresentado com base em um exemplo concreto, é mostradocomo a pressão estacionária de equilíbrio Λ pode serdeterminada por um observador e uma transformação de estadoanterior. Esse método pode ser empregado analogamente paratodos os sistemas mecânico-hidráulicos com um grau deliberdade por atuador hidráulico, onde simplesmente asrelações geométricas e mecânicas devem ser consideradaspara o respectivo sistema.

Conforme acima já mencionado, o observador não sófornece a pressão estacionária de equilíbrio Λ, mas tambémo impulso P, através do qual a velocidade não mensuráveldo pistão hidráulico pode ser agora determinada através da

<formula>formula see original document page 18</formula>

estando agora igualmente à disposição, epodendo ser igualmente empregada em caso de necessidade.

Na fig. 4 são escritas, uma vez mais, as relaçõesdescritas para o observador, com base em um esquema deobservador. O observador em si utiliza grandezas de entradae saída, que se diferenciam das realmente mensuráveis e dasnecessárias. Por um lado, a grandeza de entrada mensurávelé transformada na fórmula da posição xh, através dasrelações geométricas para um ângulo a. Além disso, énecessária uma transformação de estado do observador para onovo estado uQbs. A partir das grandezas a e uDbs de talmodo determinadas, o observador determina o estado e oimpulso P-. A partir de liObat se obtém a pressãoestacionária de equilíbrio Λ , por transformação deretorno, e a partir do impulso " , a velocidade v*> pode sersimplesmente determinada.

Introdução (por meio de Parâmetros) da AtenuaçãoAtiva

Um cilindro hidráulico, com uma válvula servocomo acionamento, possui, de maneira conhecida, umcomportamento integral, considerado como trecho deregulagem. É igualmente conhecido, que uma expressão deatenuação é proporcional a uma velocidade em um sistemamecânico. Assim, para introduzir uma atenuação em um trechointegral, uma grandeza proporcional à aceleração deve ser,em seguida, transmitida ao trecho. Isto pode ocorrerdiretamente, onde uma aceleração é medida e transmitidapara um atuador (válvula servo) através de um elementoatenuador com uma atenuação kaa, conforme suficientementeconhecido.

No desenvolvimento da presente invenção foi,porém, verificado, que uma atenuação também é produzida,quando uma grandeza proporcional à velocidade é transmitidapara um trecho hidráulico regulado com comportamentointegral. Na verdade, foi mostrado que um 'efeitodiferencial' é produzido sob determinadas restrições deparâmetros. Decisivo para isso é a relação entre aatenuação kd e a amplificação proporcional do regulador kp.

Neste caso, vale em geral kd > kp, e kp deve ser de tal modoescolhido, que determinados critérios de estabilidade sejampreenchidos. Naturalmente não pode ser especificada umarelação absoluta, geralmente válida, de kp para kp, já queisso depende naturalmente das reais circunstâncias dotrecho. Assim, estes parâmetros devem ser adequados aotrecho, por exemplo,, por experimentos ou através desimulações com programas existentes, como, por exemplo,,MATLAB. Já que a velocidade, porém, é igualmente umagrandeza de saida do observador, uma atenuação adicionalpode ser introduzida muito simplesmente no sistema, atravésdeste conhecimento, o que possui um efeito muito vantajososobre a regulagem do sistema.

Estas combinações devem ser agora explicadas, combase na apresentação esquemática do conceito de regulagem,de acordo com a fig. 5.

O trecho de regulagem é formado pelo sistemamecânico-hidráulico com um grau de liberdade por atuadorhidráulico, sendo que na fig. 5 é ilustrado um cilindrohidráulico 3 com o controle através de uma válvula servo 5.

A válvula servo 5 pode controlar um cilindro de simplesação, ou também um cilindro de dupla ação, conformeindicado pela linha dupla tracejada na fig. 5. Outrasformas de construção de cilindros hidráulicos ou outrosatuadores baseados no princípio hidráulico são igualmenteimagináveis. No cilindro hidráulico 3 é previsto um sensorde pressão 6, um sensor de aceleração 7 e um sensor deposição 8, que são apropriados a transmitir sinais demedição real para a regulagem.

A regulagem, conforme descrita na EP 992 295 A2do depositante, se baseia em uma informação de estado acimadescrita para a grandeza teórica, real e corretiva, parapoder implementar um regulador linear. Conforme conhecidoatravés da técnica de regulagem, o regulador R pode ser,por exemplo, uma função de transferência desejada (no casomais simples, por exemplo, um elemento proporcional com umreforço proporcional kp) . Uma válvula servo 5 possui umcomportamento tipicamente não-linear, que pode sercompensado por uma compensação servo conhecida. A lei daregulagem para essa regulagem convencional já foi acimadescrita. Quando a regulagem tiver que ser assim conduzidaem regulagem de posição, as chaves S2 e S4 devem serabertas, e a chave S3 deve ser fechada. As chaves Si a S4não precisam ser naturalmente chaves eletromecânicas, porémpodem ser naturalmente também somente implementadas porsoftware.

Através de uma regulagem de forças da forçahidráulica Fh, a transformação dos valores teórico e real édispensável para uma possível modalidade do regulador,podendo ser simplesmente ativada pelo deslocamento da chaveS1 para a entrada de força, através do fechamento da chaveS2, e através da abertura da chave S3. Isto é, a derivaçãoda posição é desativada, e os valores teórico e real dapressão podem ser diretamente fornecidos.

Os elementos C1, C2, C3 e C4 possibilitam umaadequação de suas respectivas entradas e apresentam, na suaforma mais genérica, funções com a entrada e possivelmenteoutras grandezas como parâmetro. Eles podem ser sistemasdinâmicos (lineares) simplificados, ou no caso maissimples, um fator proporcional.

Essa regulagem já conhecida pode ser agora

(p - ρ )

simplesmente ampliada, onde a expressão ^^^ éconsiderada, para que a chave Si deve ser comutada para aentrada de pressão, e as chaves S2 e S3 devem ser fechadas.A pressão de equilíbrio estacionário Pl> é, aqui, alimentadapelo observador, conforme acima descrito em geral e porexemplos concretos. Com isso, uma atenuação adicional éintroduzida na regulagem.

Outra atenuação adicional pode ser introduzida nosistema, em que a chave S4 é comutada para atenuaçãoproporcional à velocidade ou proporcional à aceleração,através de C3 ou C4. Na atenuação proporcional àvelocidade, o observador fornece a velocidade C3possibilita, por exemplo, um ajuste dinâmico do sinalobservado, não só com relação a uma característica de sinalideal, como também com relação a um ajuste do valor daatenuação introduzida (no caso mais simples, C3 correspondea uma expressão proporcional kd, como acima descrito). Naatenuação proporcional à aceleração, o sensor de aceleração7 fornece a aceleração necessária. C4 possui a mesma tarefaque C3 (novamente, no caso mais simples, uma expressãoproporcional kda). Caso um sensor de aceleração 7 dessesnão esteja presente, esta parte da regulagem pode tambémfaltar.

Daí resulta, que o regulador pode ser operado emdiferentes modos, dependendo da necessidade. As funções detransferência Ci7 C2, C3, C4, R podem ser naturalmenteigualmente distintas para os modos distintos.

Uma regulagem acima descrita pode serimplementada de maneira naturalmente especialmentevantajosa em uma unidade de regulagem, como por exemplo, umcomputador. As grandezas necessárias, como pressãohidráulica ph, posição do cilindro xh, ou as grandezasteóricas fornecidas, mas também uma força hidráulica (paraa regulagem da força), são também determinadas pelossensores de medição, e disponibilizadas para a unidade deregulagem, como grandezas de entrada. A grandeza de saídada unidade de regulagem é, tipicamente, um sinal decontrole para a válvula servo, como, por exemplo, o fluxoda válvula servo qv, ou a posição do pistão da válvulaservo xs.

Basicamente, todo sistema mecânico-hidráulico comum grau de liberdade por atuador hidráulico com elevadaestabilidade e velocidade é regulável com a regulagemdescrita, e a invenção não é limitada aos casos deaplicação aqui descritos.

Claims

1. Processo de regulagem para um sistema mecânico-hidráulico com um grau de liberdade por atuador hidráulicocomo trecho de regulagem, caracterizado pelo fato de que apressão teórica do sistema hidráulico Ph, de preferênciacomo termo {ph-ph), é considerada na regulagem, e avelocidade vh do atuador hidráulico (3) é conectada comoatenuação de uma regulagem, sendo que o valor teórico ph ea velocidade de atuador hidráulico vh são determinados porum observador e sendo que a velocidade de atuadorhidráulico vh é conectada ao sinal de saída do regulador(R) ·

2. Processo de regulagem, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que para oobservador é empregado um modelo matemático do trecho deregulagem, em que a grandeza de entrada é submetida a umatransformação de grandeza de ajuste para uma nova entradade grandeza Uobs, de modo que o modelo matemático do trechode regulagem para o observador é linear.

3. Processo de regulagem, de acordo qualquer umadas reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que osistema de carga mecânico é representado como modelomatemático, sendo que o sistema de equação é representado,por exemplo, com métodos da mecânica analítica, então, porexemplo, com auxílio da fórmula Langrange<formula>formula see original document page 24</formula>

4. Processo de regulagem, de acordo com areivindicação 3, caracterizado pelo fato de que com matrizde massa não constante para o projeto de observador ocorreuma transformação de coordenada e transformação de grandezade ajuste (como p.ex. para a nova entrada ^^^de modo que nas coordenadas transformadas a matriz de massase representa como constante.

5. Processo de regulagem, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que com matrizde massa não constante é empregado um observador nãolinear, em que a transformação de coordenada e de grandezade ajuste de acordo com a reivindicação 4 é implicitamenteconsiderada.

6. Processo de regulagem, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelofato de que a pressão teórica Ph é determinada com oestado Λ determinado pelo observador no sentido de umobservador de grandeza de interferência mediante retro-transformação.

7. Processo de regulagem, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizadopelo fato de que com o observador é determinado o impulso Pe dele a velocidade vh.

8. Processo de regulagem, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizadopelo fato de que a velocidade vh de um atuador hidráulicocombinada com uma função de transferência geral (C3) (p.ex.no mais simples dos casos um termo proporcional Kd) éconectada a um circuito de regulagem fechado.

9. Processo de regulagem, de acordo com qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8,caracterizado pelo fato de que a aceleração ah medida de umatuador hidráulico combinada com uma função detransferência geral (C4) é conectada à regulagem.

10. Regulador para um sistema mecânico-hidráulicocom um grau de liberdade por atuador hidráulico como trechode regulagem e um sensor de medição (6) para a medição dapressão ph de um sistema hidráulico, p.ex. de um cilindrohidráulico (3), e um sensor de medição (8) para medição daposição xh do atuador hidráulico, p.ex. do pistão de umcilindro hidráulico (3), caracterizado pelo fato de queestá prevista uma unidade de regulagem com as grandezas deentrada pressão hidráulica ph e posição de atuadorhidráulico xh, na unidade de regulagem está implementado umobservador para determinação da pressão teórica ^h dosistema hidráulico e da velocidade vh do atuador hidráulico(3) e no conjunto de regras do regulador é considerada apressão teórica Ph de preferência como termo é (Ph~Ph)·considerada na regulagem, e a velocidade vh do atuadorhidráulico (3) é conectável como atenuação de umaregulagem, sendo que isso ocorre na saída do regulador (R).

11. Regulador, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que a aceleração ah medida doatuador combinada com uma função de transferência geral(C4) é conectável a um circuito de regulagem fechado.

12. Regulador, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que avelocidade vh de um atuador hidráulico combinada com umafunção de transferência geral (C3) é conectável a umcircuito de regulagem fechado.

13. Regulador, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de queo regulador é conectável em vaivém entre vários modos deregulagem, nos quais são conectadas diversas atenuações.