CN102459923A - 使用估计的传感器值控制流体回路 - Google Patents

Abstract

流体回路(10)包括用于保持流体(15)的罐(14)、具有预定的负载构造的液压装置(24)和用于在压力下将流体(15)输送到液压装置(24)的泵(12)。传感器(18A-D、19A-C)测量供应压力(P_s)、罐压力(P_t)和所述液压装置(24)的一部分的位置(x_a、x_b)中的至少一者。控制器(30)在任何一个传感器发生预定故障的情况下使用该预定的负载构造估计或重构该传感器的输出值，从而确保液压装置(24)的连续操作。用于估计输出值的方法(100)包括使用传感器(18A-D、19A-C)感测输出值、使用控制器(30)处理输出值以判断是否存在发生故障的传感器、和使用该预定的负载构造计算发生故障的传感器的估计输出值。使用该估计的输出值维持液压装置(24)的操作直到该发生故障的传感器能被修复。

Description

使用估计的传感器值控制流体回路

技术领域

本发明总的涉及电子-液压系统的控制，并且具体涉及用于维持具有发生故障的压力或位置传感器的电子-液压系统或流体回路的控制和操作的装置和方法。

背景技术

电子-液压系统或流体回路单独或相结合地利用各种电气致动和液压致动的装置来提供开环或闭环反馈控制。特别地，在闭环系统中，能够使用反馈机构或传感器来监控回路输出值。每个传感器都能够生成与测出的输出成比例的信号，并且能够使用适当的控制逻辑装置或控制器将该输出与特定的输入或命令信号进行比较以确定是否需要任何调节或控制步骤。用于在电子-液压流体回路中使用的传感器一般包括压力换能器、温度传感器、位置传感器等。

在常规的流体回路中，能够通过连续处理各种测出或感测到的输出值来维持流体回路的操作的精确控制。供应压力和罐压力以及在回路内使用的控制阀、缸或流体马达的特定端口或腔室上操作的压力能够被连续馈送到控制单元或控制器。然而，如果任何所需的压力传感器或位置传感器发生故障或者无论由于什么原因停止正常工作，则常规流体回路中系统控制会失去或严重劣化。虽然存在用于检测超范围传感器操作或用于确定短接或断开回路的某些基于代码的方法，但这种方法通常引起利用该流体回路的过程的临时停止，并且因此当需要连续流体回路操作时不能达到最佳效果。

发明内容

相应地，一种电子-液压系统或流体回路包括构造成保持流体供应源的池或罐、具有预定负载构造的液压装置和用于从该罐抽吸流体并在压力下将其输送到液压装置的泵。传感器适合用于测量供应压力、罐压力、和液压装置以及一个或多个附加阀(例如与液压装置流体并联定位的流体调节阀)的可动阀芯部分或其它可动部分的位置。控制器具有一算法，该算法适合用于使用预定负载构造估计或重构流体回路中的多个传感器中任何一个发生故障的传感器的输出值，从而确保液压装置和流体回路的连续操作。

使用本发明的方法——该方法能够通过上述计算机可执行的算法来实施，不管是否存在发生故障的传感器，也能够对流体回路维持一定的控制水平。对流体回路的准稳态分析能够获得流体回路的基本面。在包括泵、储器或罐、多个止回阀和/或流体调节阀、以及具有第一和第二工作腔室或端口的缸、流体马达或其它装置的流体回路中，存在未知变量Q_a、Q_b和Q_fcv，其中Q_a代表进出缸的第一工作腔室的流量，Q_b是进出缸的第二工作腔室的流量，且Q_fcv是通过与缸和泵流体并联定位或连接的流体调节阀的孔口的流量。根据本发明，以这种方式构成的流体回路能够经由一组预定的非线性方程建模，所述方程因流体回路的故障状态——即当流体回路活动时(也就是说，当流体从工作腔室a流到工作腔室b或从工作端口b流到工作端口a时)发生的传感器故障——而异，如下文所述。

因此，该方法允许使用标定的、已知的或预定的负载构造(例如，在诸如缸或流体马达的双端口装置中，通过相应工作腔室或端口的流速之间的关系)估计或重构否则会丢失或无法获得的传感器信号。适合用于执行该方法的流体回路能够包括具有算法的控制器，该算法适合用于处理来自多个压力和位置传感器的输出值，与压力和位置测量值相结合地使用标定的体积和测出的压力和/或其它所需数据计算任何所需的流量信息，并使用一组非线性方程估计丢失的传感器值。然后，控制器利用该估计值自动控制流体回路直到例如传感器能够被诊断、修复或更换时。

更具体地，该方法允许估计或重构具有控制器、泵、罐、液压装置和流体调节阀的流体回路中的多个传感器中的任何一个传感器的输出值。调节阀与液压装置流体并联。该方法包括感测来自所述多个传感器的一组输出值、使用控制器处理所述输出值以判断是否存在发生故障的传感器、并使用控制器利用液压装置的预定负载构造计算发生故障的传感器的估计输出值。能够利用该估计的输出值来控制液压装置直到发生故障的传感器能够被修复或更换，从而确保流体回路的连续操作。

本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点易于从以下结合附图对用于实施本发明的最佳模式的详细描述而显而易见。

附图说明

图1是根据本发明具有控制器的处于第一传感器故障状态下的示例性流体回路的示意图；

图2是处于第二传感器故障状态下的图1的示例性流体回路的示意图；和

图3是描述可与图1-2的流体回路一起使用的控制方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中几幅图中同样的参考标号始终与同样或相似的构件相对应，并且从图1开始，示出了处于如下文将描述的第一可能的传感器故障状态下的流体回路10。流体回路10包括泵(P)12和低压储器、池或罐14。罐14保持或容纳流体15的供应源，该流体被泵12抽吸并在压力(P_S)下经由供应管线11被输送到液压装置24。在图1的示例性实施例中，液压装置24被构造成容纳滑阀或活塞26的双腔室缸27，其中缸27具有分别与缸27内并由缸27和活塞26限定的工作腔室a和b连通的第一工作端口31和第二工作端口33。

用于执行本发明的方法的控制逻辑或算法100能够被编程或者记录在控制器(C)30内并被执行以根据需要选择性地控制流体回路10内的各种流体控制装置，从而驱动下游流体回路(FC)28，包括例如但不限于液压机械、阀、活塞、蓄能器等物品。FC 28又经由返回管线13与罐14流体连通。

能够与流体回路10的各种构件直接有线通信或无线通信的控制器30从传感器18A-D和19A-C接收一组压力和位置输入信号(箭头25)，如下文说明的。流体回路10能够构造成数字计算机，该数字计算机一般包括CPU和充足的内存，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)等。控制器30能够包括高速时钟、模拟-数字(A/D)和数字-模拟(D/A)电路，和输入/输出电路和装置(I/O)，以及适当的信号调制和缓冲电路。控制器30中驻留或可通过其存取的任何算法，包括下文参考图3所述的算法100，或任何其它所需的算法，能够被存储在ROM中并由控制器30自动执行以提供所需的回路控制功能。

流体15被选择性地允许在供应压力(P_s)下经由供应管线11进入流体回路10。流体调节阀16在一对压力传感器18A和18B、例如压力换能器或其它适当的压力感测装置之间与液压装置24流体并联地定位。传感器18A定位成并适合用于测量供应压力(P_s)，而传感器18B定位成并适合用于测量返回管线或罐压力(P_t)。从泵12流来的流体15的一部分或全部能够按需经调节阀16从液压装置24分流并回到罐14。

流体回路10包括适合用于分别测量调节阀16、阀20和阀22中相应滑阀的位置的位置传感器19A、19B和19C。附加压力传感器18C、18D定位成与液压装置24流体串联。传感器18C定位成并适合用于测量在液压装置24的工作腔室a或第一工作端口31上操作的流体压力(P_a)，并定位在第一阀20的下游。第一阀20能够构造为任何适当的流体控制阀，其适合用于沿箭头C的方向将来自泵12的流体15引入液压装置24的第一工作端口31以便沿箭头C的方向移动活塞26。第二阀22防止流体15流入工作端口33。传感器18D定位成并适合用于测量在液压装置24的工作腔室b或第二工作端口33上操作的流体压力(P_b)。

在正常操作状况下，变量P_s、P_t、P_a和P_b是已知的，由相应的压力传感器18A-18D感测或测量。位置变量x_a、x_b和x_fcv也是已知的，由位置传感器19A-C感测。变量x_a和x_b分别表示活塞26在工作腔室a和b中的位置，而x_fcv表示流体调节阀16的阀芯部分的位置。三个未知变量包括如上所述的Q_a、Q_b和Q_fcv，即，分别进入第一工作端口31、第二工作端口33和调节阀16的流量。因此使用以下三函数方程组为这些值提供唯一的解法：

f1(Q_a，P_s，P_a，x_a)＝0；

f2(Q_b，P_t，P_b，x_b)＝0；和

f3(Q_fcv，P_s，P_t，x_fcv)＝0

例如， $f1(Q_a,P_s,P_a,x_a)=Q_a-c_{d}A\left(x_a\right)\mathrm{sgn}(P_s-P_a)\sqrt{2/\mathrm{\ρ}|P_s-P_a|},$ 其中c_d为排放系数，ρ为流体密度，且A是作为滑阀位置的函数的孔口面积。

然而，在其中传感器18A-D或19A-C中的一个发生故障的传感器故障状态下，在不借助于另外的信息的情况下不能唯一地解出以上方程组。例如，如果在工作端口31处的压力或P_a由于传感器18C的故障而无法获得，则其余已知变量为P_s、P_t、P_b、x_a、x_b和x_fcv。现在有四个未知变量，即，与前面相同的Q_a、Q_b和Q_fcv，以及未知值P_a。

在基于观察者/观测者的模型中，能够通过将模型输出与实际测量值进行比较来估计状态变量。仅在系统本身完全可观测的情况下能够容易地重构信号。然而，基于观察者的模型在面临未知负载条件例如定位在流体缸内的活塞、流体马达的一部分或典型的双端口流体装置的任何可动部分的速度的情况下受到严峻的挑战。

例如，能够经由以下方程对流体回路建模：

${\stackrel{.}{P}}_a=(\mathrm{\β}/V)(Q_a(P_s,P_a,x_a)-A{\stackrel{.}{x}}_{\mathrm{cyl}})$

其中

指的是在2端口装置的第一端口或“工作端口a”处的流体压力的变化，β是回路中所用的流体的体积模量，V是缸的容积，Q_a是通过工作端口a的流速，P_s是供应压力，P_a是在腔室a或工作端口31处的压力，且x_a是滑阀或活塞在腔室a或工作端口31处的阀芯位置。另外，A是缸的截面积，且

是缸的位置的变化率，即，缸的速度。值

在这种示例性缸内是未知负载条件。

利用算法100，液压装置24的负载构造能够提供如使用未知变量确定的进一步的约束条件。例如，如果缸27的任一侧上的工作腔室大小相等，则对于如图1和2所示的缸/马达连接，Q_a＝-Q_b，或者如果工作腔室a和b大小不同，则Q_a＝-(A_a/A_b)(Q_b)，其中A_a是工作腔室a中的活塞面积且A_b是工作腔室b中的位置面积。因此，算法100能够使用非线性方程来确定第一传感器故障模式中的三个未知变量。相应地，能够使用以上方程来估计传感器信号P_s、P_t、P_a、P_b、x_a和x_b中的任何一个。

参照图2，图1的流体回路10被示出处于第二传感器故障状态下，即，当流体在工作端口33被施加以沿箭头D的方向移动活塞26时。如上所述，能够利用用于液压装置24的已知负载构造来估计或重构丢失的传感器信号P_s、P_t、P_a、P_b、x_a和x_b中的任何一个。

参照图3，结合图1和2的流体回路10，能够经由算法100执行本发明的方法。在步骤102开始，控制器30连续地或者根据规定的周期循环时间读取来自传感器18A-D和19A-C各者的输出值。在正常操作中，控制器30利用控制逻辑来处理这些值，并且根据这种控制逻辑选择性地致动液压装置24和下游流体回路28中任何另外的下游装置(如果使用的话)。然后，算法100转入步骤104。

在步骤104，控制器30判断传感器18A-D和19A-C中的任何一个是否已发生故障。如果为“否”，则算法100结束，有效地从步骤102重新开始并重复步骤102和104直到判断存在这种传感器故障。如果传感器已发生故障，则算法100转入步骤106。

在步骤106，算法100估计或重构用于发生故障的传感器的值。该估计值在图3中作为值(e)表示。例如，如果传感器18C已发生故障，结果将无法获得输出值P_a。继续传感器18C的示例，未知变量将是Q_a、Q_b、Q_fcv和P_a。然而，如果对图2和3所示的缸或马达连接给定已知负载构造，例如Q_a＝-Q_b，则四个未知变量减少到三个：Q_a(或Q_b)、Q_fcv和P_a。然后，算法100使用如上所述的非线性方程，即f1(Q_a，P_s，P_a，x_a)＝0；f2(Q_b，P_t，P_b，x_b)＝0；和f3(Q_fcv，P_s，P_t，x_fcv)＝0，来估计该值(e)。

一旦已在步骤106确定或算出估计值(e)，算法100便转入步骤108，其中控制器30使用该估计值(e)来执行图1和2的流体回路10的控制。因此，能够维持流体回路10的连续控制。然后，算法100能够结束，或者任选地可转入步骤110。

在步骤110，能够激活警报，或者能够采取另一个适当的控制动作，以确保引起对存在发生故障的传感器的注意。这样，能够按需适当地诊断、修复或更换故障传感器。

相应地，使用如上所述的控制算法100作为图1和2的流体回路10的一部分，能够实现流体回路10的单次传感器故障操作。给定负载构造，如果在传感器故障时正在工作，则可以重构单个发生故障的传感器信号的大部分。如果停止工作，即，如果液压装置24的两个工作端口31和33关闭，则会难以准确地估计发生故障的传感器信号。

虽然已详细描述用于实施本发明的最佳模式，但熟悉本发明相关领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实施本发明的各种替换设计和实施例。同样，虽然已参考优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应理解，可作出各种更改并且可用等同装置代替其元件而不脱离本发明的范围。另外，可作出许多改型以使具体情形或材料适合本发明的教导而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并非旨在局限于作为为实施本发明而预期的最佳模式公开的具体实施方式，相反，本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (15)

1.一种流体回路(10)，包括：

构造成用于保持流体(15)的罐(14)；

具有预定负载构造的液压装置(24)；

泵(12)，所述泵(12)可操作以从所述罐(14)抽吸所述流体(15)并且在压力下将所述流体(15)输送到所述液压装置(24)；

多个传感器(18A-D、19A-C)，每个所述传感器都适合用于测量来自所述泵(12)的供应压力(P_s)、所述罐(14)处的罐压力(P_t)和所述液压装置(24)的可动部分(26)的位置中的至少一者；和

控制器(30)，所述控制器具有算法(100)，所述算法适合用于当所述多个传感器(18A-D、19A-C)中的任何一个传感器中发生预定的故障时使用所述预定的负载构造估计所述一个传感器的输出值，从而确保所述液压装置(24)的连续操作。

2.根据权利要求1所述的流体回路(10)，其特征在于，所述液压装置(24)是缸-活塞装置和流体马达装置中的一者。

3.根据权利要求1所述的流体回路(10)，还包括与所述液压装置(24)流体并联的流体调节阀(16)，其中所述流体调节阀(16)具有可动部分，并且其中所述多个传感器(18A-D、19A-C)包括用于测量所述流体调节阀(16)的所述可动部分的位置(x_fcv)的第一位置传感器(19C)。

4.根据权利要求1所述的流体回路(10)，其特征在于，所述液压装置(24)具有第一和第二工作端口(31、33)，并且其中所述预定的故障是当所述流体(15)从所述泵(12)被输送到所述第一工作端口(31)和所述第二工作端口(33)中的一者时发生的故障。

5.根据权利要求1所述的流体回路(10)，其特征在于，所述算法(100)适合用于使用预定的一组非线性方程来估计所述输出值。

6.一种适合与流体回路(10)一起使用的流体控制系统，所述流体回路(10)包括构造成用于保持流体(15)的罐(14)、具有设置在缸(27)内以与其相结合地限定第一和第二工作端口(31、33)的活塞(26)的液压装置(24)、具有阀芯部分的流体调节阀(16)、和可操作以便从所述罐(14)抽吸所述流体(15)并在压力下将所述流体(15)输送到所述第一和第二工作端口(31、33)中的一者的泵(12)，所述流体控制系统包括：

一组压力传感器(18A-D)，每个压力传感器都适合用于测量来自所述泵(12)的供应压力(P_s)、在所述罐(14)处的罐压力(P_t)、在所述第一工作端口(31)处的第一压力(P_a)和在所述第二工作端口(33)处的第二压力(P_b)中的一者；

一组位置传感器(19A-C)，所述位置传感器适合用于测量所述调节阀(16)的所述阀芯部分的相应位置(x_fcv)和所述活塞(26)的位置(x_a、x_b)；和

具有算法(100)的控制器(30)，所述算法适合用于在所述压力和位置传感器(18A-D、19A-C)中的任何一个传感器发生预定故障的情况下使用所述液压装置(24)的预定负载构造估计所述一个传感器的输出值，从而确保所述液压装置(24)的连续操作。

7.根据权利要求6所述的流体控制系统，其特征在于，所述预定负载构造作为表示通过所述第一和第二工作端口(31、33)的流速的比例的标定的方程在所述控制器(30)内建模。

8.根据权利要求6所述的流体控制系统，其特征在于，所述算法(100)通过计算一组三个不同的非线性方程的解来估计所述输出值。

9.根据权利要求8所述的流体控制系统，其特征在于，所述非线性方程中的每一个都是通过所述液压装置(24)和所述流体调节阀(16)中的一者的流速的函数。

10.根据权利要求9所述的流体控制系统，其特征在于，所述线性方程中的每一个都是罐压力(P_t)、供应压力(P_s)、所述活塞(26)的位置(x_a、x_b)和所述调节阀(16)的所述阀芯部分的位置(x_fcv)的函数。

11.一种用于估计或重构流体回路(10)中的多个传感器(18A-D、19A-C)中的任何一个传感器的输出值的方法(100)，所述流体回路(10)具有控制器(30)、泵(12)、罐(14)、液压装置(24)和与所述液压装置(24)流体并联的流体调节阀(16)，所述方法包括：

感测来自所述多个传感器(18A-D、19A-C)的一组输出值(P_s、P_t、P_a、P_b、x_a、x_b、x_fcv)；

使用所述控制器(30)处理所述一组输出值(P_s、P_t、P_a、P_b、x_a、x_b、x_fcv)，从而判断所述多个传感器(18A-D、19A-C)当中是否存在发生故障的传感器；

响应于对发生故障的传感器的判断而使用所述控制器(30)计算所述发生故障的传感器的估计输出值，其中所述估计值的计算使用所述液压装置(24)的预定负载构造；和

使用所述估计输出值自动控制所述液压装置(24)的操作直到所述发生故障的传感器能够被修复或更换，从而确保所述流体回路(10)的连续操作。

12.根据权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，处理所述一组输出值(P_s、P_t、P_a、P_b、x_a、x_b、x_fcv)包括将所述一组输出值(P_s、P_t、P_a、P_b、x_a、x_b、x_fcv)中的每个输出值与标定的阈值进行比较以判断是否存在发生故障的传感器。

13.根据权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，计算所述发生故障的传感器的估计输出值包括使用所述预定负载构造导出仅具有三个未知变量的一组非线性方程。

14.根据权利要求13所述的方法(100)，其特征在于，使用所述控制器(30)计算估计输出值包括解出所述三个未知变量中的一个，从而确定所述估计输出值。

15.根据权利要求11所述的方法(100)，其特征在于，所述液压装置(24)具有一对工作端口(31、33)，并且其中所述预定负载构造是所述一对工作端口(31、33)的标定流量比。

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