CN101842760B - 用于液压缸单元的位置控制的具有线性单元的控制装置 - Google Patents

用于液压缸单元的位置控制的具有线性单元的控制装置 Download PDF

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Abstract

用于液压缸单元(1)的位置控制的控制装置，其具有控制器(15)，该控制器在输入侧接收液压缸单元(1)的活塞(3)的理论位置(s*)和活塞(3)的实际位置(s)，并借助理论位置(s*)和实际位置(s)的差(δs)求出用于液压缸单元(1)的阀门控制单元(7)的暂时的控制变量(u’)。控制器(15)后面布置有线性单元(17)，其将所述暂时的控制变量(u’)与线性系数(F)相乘，并与线性系数(F)相乘过的暂时的控制变量(u’)作为最终有效的控制变量(u)输出到阀门控制单元(7)，从而活塞(3)利用调节速度(v)进行调节。线性单元(17)动态地作为活塞(3)的实际位置(s)和出现在活塞(3)的两侧以及阀门控制单元(7)的流入和流出侧的工作压力(pA、pB、pP、pT)的函数来确定所述线性系数(F)。线性单元(17)这样确定所述线性系数(F)，即所述调节速度(v)与理论位置(s*)同实际位置(s)之差(δs)的比值不依赖于活塞(3)的实际位置(s)和工作压力(pA、pB、pP、pT)。在控制器(15)是P控制器的特殊情况下，控制器(15)和线性单元(17)的顺序可以交换。

Description

用于液压缸单元的位置控制的具有线性单元的控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于液压缸单元的位置控制的控制装置，其中该控制装置具有控制器，它在输入侧接收液压缸单元的活塞的理论位置和活塞的实际位置，借助理论位置和实际位置的差求出用于液压缸单元的阀门控制单元的控制变量，并且求出的控制变量被输出到阀门控制单元，从而活塞利用调节速度进行调节。
背景技术
液压缸单元具有强烈依赖于液压缸单元的工作点的控制特性。对于一个确定的工作点最优的位置控制器在其它的工作点却工作得不怎么好或者较差。
为了改善控制特性在现有技术中已知，设置一种所谓的蝴蝶曲线(Schmetterlingskurve)作为控制器的控制特性曲线。不过蝴蝶曲线不能覆盖可能的工作点的所有空间，并且因此不能在每个工作点最优地工作。
此外对液压缸单元的位置控制器已知，对理论位置和实际位置互相独立地采取各一个非线性的转换，并且附加地采取位置控制器的部分线性化。这种方法是非常繁琐的。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种方案，借助于它可以以尽可能简单的方式实现最优的控制特性。
该任务通过具有权利要求1和权利要求3的特征的控制装置、具有权利要求8的特征的软件模块和具有权利要求9的特征的数据载体解决。权利要求2和4至7涉及该控制装置的有利的设计方案。权利要求10举出了根据本发明的控制装置的一种优选的应用。
根据本发明，控制器求出暂时的控制变量。此外在该控制器后面布置有线性单元，它将所述暂时的控制变量与线性系数相乘，并且与线性系数相乘过的暂时的控制变量作为最终有效的控制变量输出到阀门控制单元。该线性单元动态地作为活塞的实际位置和出现在活塞的两侧以及阀门控制单元的流入和流出侧的工作压力的函数来确定所述线性系数。该线性单元这样确定所述线性系数，即所述调节速度与理论位置同实际位置之差的比值不依赖于活塞的实际位置和工作压力。在这种情况下优选该控制器是P控制器。
在控制器是P控制器的特殊情况下，控制器和线性单元的顺序可以交换。在这种情况下线性单元将理论位置和实际位置的差与线性系数相乘，并且将相乘过的差输入控制器，作为控制器的输入变量。不过线性系数的求出的方式保持不变。
在各种情况下用于确定所述线性系数的线性单元利用阀门控制单元的功率数据，活塞两侧有效的工作面积以及活塞两侧最小可能的有效容积作为其它的数据。这些其它的数据在这种情况下可以固定地预先规定给线性单元。不过优选该线性单元至少部分作为参量接收所述其它的数据。
优选该线性单元根据公式
F = K · AKA hA + AKB hB pP - pA pN · QNA hA + pB - pT pN · QNB hB
求出线性系数。在上述公式中应用的参量在此具有下面的意义：
-F是线性系数，
-K是可自由选择的、恒定的比例因子，
-AKA是活塞的面对变大的工作容积的工作面积，
-AKB是活塞的面对变小的工作容积的工作面积，
-pA是作用在活塞的面对变大的工作容积的工作面积上的工作压力，
-pB是作用在活塞的面对变小的工作容积的工作面积上的工作压力，
-pP是出现在阀门控制单元的流入侧的工作压力，
-pT是出现在阀门控制单元的流出侧的工作压力，
-pN是阀门控制单元的标称压力，
-QNA是当出现在阀门控制单元的流入侧的工作压力和出现在变大的工作容积中的工作压力之间的差等于标称压力时，流入变大的工作容积中的公称容积流量。
-QNB是当出现在变小的工作容积中的工作压力和出现在阀门控制单元的流出侧的工作压力之间的差等于标称压力时，从变小的工作容积中流出的公称容积流量。
-hA是变大的工作容积和面对这个工作容积的工作面积之间的商，其中变大的工作容积借助活塞的实际位置和对活塞的这一侧最小可能的有效容积确定，以及，
-hB是变小的工作容积和面对变小的工作容积的工作面积之间的商，其中变小的工作容积借助活塞的实际位置和对活塞的这一侧最小可能的有效容积确定。
该控制装置可以是硬件结构。不过它优选是可软件编程的控制装置并且利用软件模块编程，这样它根据本发明基于软件模块的编程构造。
该软件模块包含机器码，它的通过连接在液压缸单元上的可软件编程的控制装置的执行，使得控制装置如上面所述地构造。该软件模块可以以机器可读的形式储存在数据载体上。
原则上根据本发明的控制装置可以广泛应用。不过它优选用于轧机机架的靠合控制。
附图说明
其它的优点和细节由下面的实施例说明结合附图给出。在原理图中示出：
图1示出了控制装置和液压缸单元的方块图，
图2示出了控制装置的第一实施方式，
图3示出了控制装置的第二实施方式，
图4示出了线性单元的求取装置，以及
图5示出了轧机机架的轧辊的靠合装置。
具体实施方式
根据图1液压缸单元1具有液压缸2，在它里面可运动地支承有活塞3。活塞3可以在液压缸1的内部在最小位置smin和最大位置smax之间运动。即它在每个时间点处于位于最小位置smin和最大位置smax之间的实际位置s。
活塞3具有第一工作面积4A和第二工作面积4B。每个工作面积4A、4B面对相应的工作容积5A、5B。
工作容积5A、5B通过液压管路6A、6B和阀门控制单元7与液压泵8和液压油罐9液压连接。液压管路6A、6B在此从相应的工作容积5A、5B延伸到阀门控制单元7。
如果活塞3处于它的最小位置smin，在液压管路6A中存在液压油10的确定的容积。这个容积是处于阀门控制单元7和活塞3的工作面积4A之间的液压油10的最小量。这个液压油10的量是对于工作容积5A的最小可能的有效容积。接下来以标记VminA表示。
如果活塞3处于它的最大位置smax，以类似的方式在液压管路6B中存在液压油10的确定的容积。这个液压油10的量是对于工作容积5B的最小可能的有效容积。这个最小容积接下来以标记VminB表示。
如果活塞3处在任意的实际位置s上，工作容积5A具有容积值VA，它由
VA＝VminA+AKA(s-smin)
得出。在此利用标记AKA表示活塞3的面对工作容积5A的工作面积4A的面积值。
有效容积VA可以除以面积值AKA。商
hA＝VA/AKA
相当于液压油10在活塞3上的液柱的有效高度。
以类似的方式可以借助最小可能的有效容积VminB、面对工作容积5B的工作面积4B的面积值AKB、实际位置s和最大位置smax根据公式
VB＝VminB+AKB(smax-s)和
hB＝VB/AKB
求出对于第二工作面积4B或者第二工作容积5B的相应的值VB和hB。
在工作容积5A中存在第一工作压力pA，在第二工作容积5B中存在第二工作压力pB。液压油10通过液压泵8被加载泵压力pP。在液压油罐9中存在油箱压力pT。泵压力pP和油箱压力pT相当于在阀门控制单元7的流入侧和流出侧的工作压力。
阀门控制单元7在这种情况下是四通阀。两个工作容积5A、5B中的每个都可以借助于四通阀交替地加载泵压力pP或者油箱压力pT。不过替代地，阀门控制单元7也可以是两通阀。在这种情况下两个工作容积5A、5B之一加载恒定的压力，例如加载泵压力pP的一半。另一个工作容积5A、5B可以在这种情况下交替地加载泵压力pP或者油箱压力pT。
阀门控制单元7以及利用阀门控制单元使整个液压缸单元1借助于控制装置11进行控制。活塞3在此进行位置控制。控制装置11优选对应图1是可软件编程的控制装置11。控制装置11由此借助于软件模块12编程。软件模块12可以例如借助于数据载体13输入控制装置11，软件模块12以机器可读的方式储存在该数据载体上。在此原则上可以考虑任意的数据载体作为数据载体13。在图1中(纯示例地)示出的是CD-ROM13。
软件模块12包含可以被控制装置11执行的机器码14。机器码14通过控制装置11的执行导致了，控制装置11这样控制液压缸单元1，如它接下来详细说明。控制装置11利用软件模块12的编程产生相应构造的控制装置11。
根据图1控制装置11首先被输入活塞3的理论位置s*和活塞3的实际位置s。控制装置11紧接着以还要说明的方式求出用于阀门控制单元7的控制变量u并且将控制变量u输出到阀门控制单元7。控制装置11由此实施液压缸单元1(确切地说是活塞3)的位置控制。
控制装置11优选对应图2构造。根据图2控制装置11具有控制器15，该控制器在输入侧接收理论位置s*和实际位置s。在节点16中形成理论位置s*和实际位置s的差δs。这个差接下来称为控制差δs。
控制差δs被输入控制器15，该控制器借助控制差δs求出用于阀门控制单元7的暂时的控制变量u’。对应图2控制器15在此优选是P控制器。
控制器后面布置线性单元17。线性单元17在此具有乘法器18和求取装置19。求取装置19以还要说明的方式确定线性系数F并且将该线性系数F输出到乘法器18。乘法器18此外从控制器15接收暂时的控制变量u’并且将所述暂时的控制变量u’与线性系数F相乘。线性单元17以这种方式确定最终有效的控制变量u，它被输出到阀门控制单元7。
阀门控制单元7对应传递给它的控制变量u进行控制。由此产生，活塞3以调节速度v移动或者调节。
在根据图2的设计方案中，控制器15原则上可以是任意的控制器。不过控制器15作为P控制器的设计方案一般是足够的并且也是优选的。
替代根据图2的设计方案，根据图3可以交换控制器15和线性单元17的顺序。在这种情况下控制器15作为P控制器的设计方案是强制的。在其它方面根据图3的设计方案的作用方式完全类似于根据图2的设计方案。因此可以不需要对图3详细说明。
线性单元17的求取装置19动态地作为活塞3的实际位置s，出现在活塞3两侧的工作压力pA、pB以及出现在阀门控制单元7的流入和流出侧的工作压力pP、pT的函数来确定所述线性系数F。在此求取装置19这样确定所述线性系数F，即调节速度v与理论位置s*同实际位置s之差δs的比值不依赖于实际位置s和工作压力pA、pB、pP、pT。
求取装置19的作用方式接下来结合图4详细说明。
控制装置11通常以工作节拍T工作。控制装置11随着工作节拍T的频率接收相应新的理论位置s*和新的实际位置s，求出控制变量u并且将该控制变量u输出到阀门控制单元7。
同样随着工作节拍T，例外地也可以随着更小的辅助节拍T’(即具有比工作节拍T更小的频率的节拍T’)，求取装置19分别被输入实际位置s和工作压力pA、pB的相应新的值。此外求取装置19被输入控制差δs的符号。这些变量s、pA、pB、δs的节拍化的输入在此在图4中由此标明，即在求取装置19之前布置锁存器19’，它以工作节拍T(或者辅助节拍T’)工作。
泵压力pP和油箱压力pT一般是恒定的。因此这两个压力pP、pT可以一次性地输入(也就是说事先并且由此作为参量)求取装置19。不过替代地流入侧的工作压力pP和流出侧的工作压力pT同样可以节拍化地并且由此作为变量输入求取装置19。
一般求取装置19为了线性系数F的准确计算还需要其它的数据。其它的数据一般包含阀门控制单元7的功率数据pN、QNA、QNB、活塞3两侧的有效工作面积AKA、AKB以及活塞两侧最小可能的有效容积VminA、VminB。这些值可以固定地预先规定给求取装置19，例如通过软件模块12。替代地这些其它的数据(至少部分)可以在控制装置11编程后作为参量(也即是说在控制装置11的投入运行的范围内)预先规定给求取装置19，它们在控制装置11工作期间保持不变。
线性系数F依赖于活塞3的运动方向，也就是说活塞3沿着移动的方向。线性系数F由此依赖于控制差δs的符号。接下来假定活塞3要沿着正向移动，即朝最大位置sma x的方向。在这种情况下求取装置19优选这样确定所述线性系数F：
F = K · AKA hA + AKB hB pP - pA pN · QNA hA + pB - pT pN · QNB hB
在上述公式中应用的参量除了阀门控制单元7的功率数据pN、QNA、QNB外都已经定义过。阀门控制单元7的功率数据pN、QNA和QNB具有下面的意义：
-pN是(原则上任意的)标称压力。它对应于参量QNA、QNB针对其进行标称的参考压力。
-QNA是当在泵压力pP和出现在工作容积5A中的工作压力pA之间的差等于标称压力pN时，流入工作容积5A中的公称容积流量。
-QNB是当在工作压力pB和油箱压力pT之间的差等于标称压力pN时，从工作容积5B中流出的公称容积流量。
如已经提及的，线性系数F是依赖方向的。在活塞3要在相反的方向移动的情况下，线性系数F由此得出：
F = K · AKB hB + AKA hA pP - pB pN · QNB hB + pA - pT pN · QNA hA
尽管如此，在权利要求6中(合适地)只给出一个单个的公式，因为权利要求6依赖方向地列出公式。相反求取装置19优选计算两个值，并且借助差δs的符号选择正确的线性系数F。
根据本发明的由液压缸单元1和控制装置11组成的结构原则上可以任意使用。不过根据图5它优选应用于在图5中示意标明的轧机机架20的靠合控制。
本发明具有许多优点。特别是在液压缸单元1的每个工作点实现控制装置11的最优的工作。该控制是完全线性的。(相比非线性的HGC)不需要进行转换。此外(同样相对非线性的HGC)可以以简单的方式实现本发明集成到已经存在的控制系统中，因为已经存在的上级的控制结构(交互控制和类似情况)不必改变。由此得出根据本发明的控制装置11的简化的投入运行和可维护性。
上面的说明仅仅用于本发明的说明。本发明的保护范围相反应该仅仅通过附属的权利要求确定。

Claims (13)

1.用于液压缸单元(1)的位置控制的控制装置，
-其中该控制装置具有控制器(15)，该控制器在输入侧接收液压缸单元(1)的活塞(3)的理论位置(s*)和活塞(3)的实际位置(s)，并且借助所述理论位置(s*)和实际位置(s)的差(δs)求出用于液压缸单元(1)的阀门控制单元(7)的暂时的控制变量(u’)，
-其中该控制器(15)后面布置有线性单元(17)，该线性单元将所述暂时的控制变量(u’)与线性系数(F)相乘，并且与线性系数(F)相乘过的暂时的控制变量(u’)作为最终有效的控制变量(u)输出到阀门控制单元(7)，从而活塞(3)利用调节速度(v)进行调节，
-其中该线性单元(17)动态地作为活塞(3)的实际位置(s)和出现在活塞(3)的两侧以及阀门控制单元(7)的流入和流出侧的工作压力(pA、pB、pP、pT)的函数来确定所述线性系数(F)，
-其中该线性单元(17)这样确定所述线性系数(F)，即所述调节速度(v)与理论位置(s*)同实际位置(s)之差(δs)的比值不依赖于活塞(3)的实际位置(s)和工作压力(pA、pB、pP、pT)。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制器(15)是P控制器。
3.用于液压缸单元(1)的位置控制的控制装置，
-其中该控制装置具有是P控制器的控制器(15)，该控制器在输入侧接收受控变量(δs’)，借助该受控变量(δs’)求出用于液压缸单元(1)的阀门控制单元(7)的控制变量(u)，并且将该控制变量(u)输出到阀门控制单元(7)，从而活塞(3)利用调节速度(v)进行调节，
-其中在该控制器(15)之前布置有线性单元(17)，该线性单元接收液压缸单元(1)的活塞(3)的理论位置(s*)和活塞(3)的实际位置(s)，它们的差(δs)与线性系数(F)相乘，并且与线性系数(F)相乘过的差(δs)作为受控变量(δs’)输出到控制器(15)
-其中该线性单元(17)动态地作为活塞(3)的实际位置(s)和出现在活塞(3)的两侧以及阀门控制单元(7)的流入和流出侧的工作压力(pA、pB、pP、pT)的函数来确定所述线性系数(F)，
-其中该线性单元(17)这样确定所述线性系数(F)，即所述调节速度(v)与活塞(3)的理论位置(s*)同实际位置(s)之差(δs)的比值不依赖于活塞(3)的实际位置(s)和工作压力(pA、pB、pP、pT)。
4.根据权利要求1、2或3所述的控制装置，其特征在于，所述用于确定所述线性系数(F)的线性单元(17)利用阀门控制单元(7)的功率数据(pN、QNA、QNB)、活塞(3)两侧有效的工作面积(AKA、AKB)以及活塞(3)两侧最小可能的有效容积(VminA、VminB)作为其它的数据。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述线性单元(17)至少部分地作为参量接收所述其它的数据。
6.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述线性单元(17)根据公式
F = K · AKA hA + AKB hB pP - pA pN · QNA hA + pB - pT pN · QNB hB
求出线性系数(F)，其中
-F是线性系数，
-K是可自由选择的、恒定的比例因子，
-AKA是活塞(3)的面对变大的工作容积(5A)的工作面积，
-AKB是活塞(3)的面对变小的工作容积(5B)的工作面积，
-pA是作用在活塞(3)的面对变大的工作容积(5A)的工作面积(4A)上的工作压力，
-pB是作用在活塞(3)的面对变小的工作容积(5B)的工作面积(4B)上的工作压力，
-pP是出现在阀门控制单元(7)的流入侧的工作压力，
-pT是出现在阀门控制单元(7)的流出侧的工作压力，
-pN是阀门控制单元(7)的标称压力，
-QNA是当出现在阀门控制单元(7)的流入侧的工作压力(pP)和出现在变大的工作容积(5A)中的工作压力(pA)之间的差等于所述标称压力(pN)时，流入变大的工作容积(5A)中的公称容积流量，
-QNB是当出现在变小的工作容积(5B)中的工作压力(pB)和出现在阀门控制单元(7)的流出侧的工作压力(pT)之间的差等于所述标称压力(pN)时，从变小的工作容积(5B)中流出的公称容积流量，
-hA是变大的工作容积(5A)和面对这个工作容积(5A)的工作面积(4A)之间的商，其中变大的工作容积(5A)借助活塞(3)的实际位置(s)和对活塞(3)的这一侧最小可能的有效容积(VminA)来确定，以及，
-hB是变小的工作容积(5B)和面对变小的工作容积(5B)的工作面积(4B)之间的商，其中变小的工作容积(5B)借助活塞(3)的实际位置(s)和对活塞(3)的这一侧最小可能的有效容积(VminB)来确定。
7.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述线性单元(17)根据公式
F = K · AKA hA + AKB hB pP - pA pN · QNA hA + pB - pT pN · QNB hB
求出线性系数(F)，其中
-F是线性系数，
-K是可自由选择的、恒定的比例因子，
-AKA是活塞(3)的面对变大的工作容积(5A)的工作面积，
-AKB是活塞(3)的面对变小的工作容积(5B)的工作面积，
-pA是作用在活塞(3)的面对变大的工作容积(5A)的工作面积(4A)上的工作压力，
-pB是作用在活塞(3)的面对变小的工作容积(5B)的工作面积(4B)上的工作压力，
-pP是出现在阀门控制单元(7)的流入侧的工作压力，
-pT是出现在阀门控制单元(7)的流出侧的工作压力，
-pN是阀门控制单元(7)的标称压力，
-QNA是当出现在阀门控制单元(7)的流入侧的工作压力(pP)和出现在变大的工作容积(5A)中的工作压力(pA)之间的差等于所述标称压力(pN)时，流入变大的工作容积(5A)中的公称容积流量，
-QNB是当出现在变小的工作容积(5B)中的工作压力(pB)和出现在阀门控制单元(7)的流出侧的工作压力(pT)之间的差等于所述标称压力(pN)时，从变小的工作容积(5B)中流出的公称容积流量，
-hA是变大的工作容积(5A)和面对这个工作容积(5A)的工作面积(4A)之间的商，其中变大的工作容积(5A)借助活塞(3)的实际位置(s)和对活塞(3)的这一侧最小可能的有效容积(VminA)来确定，以及，
-hB是变小的工作容积(5B)和面对变小的工作容积(5B)的工作面积(4B)之间的商，其中变小的工作容积(5B)借助活塞(3)的实际位置(s)和对活塞(3)的这一侧最小可能的有效容积(VminB)来确定。
8.根据权利要求1、2或3所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置是可软件编程的控制装置，并且利用软件模块(12)编程，这样所述控制装置基于利用软件模块(12)的编程根据权利要求1、2或3构造。
9.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置是可软件编程的控制装置，并且利用软件模块(12)编程，这样所述控制装置基于利用软件模块(12)的编程根据权利要求4构造。
10.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置是可软件编程的控制装置，并且利用软件模块(12)编程，这样所述控制装置基于利用软件模块(12)的编程根据权利要求5构造。
11.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置是可软件编程的控制装置，并且利用软件模块(12)编程，这样所述控制装置基于利用软件模块(12)的编程根据权利要求6构造。
12.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置是可软件编程的控制装置，并且利用软件模块(12)编程，这样所述控制装置基于利用软件模块(12)的编程根据权利要求7构造。
13.液压缸单元(1)的应用，该液压缸单元(1)借助于根据权利要求1至12中任意一项所述的控制装置(11)控制并用于轧机机架(20)的靠合控制。
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