CN107667320B - 用于操作电气或流体促动器的方法以及用于促动器的运动控制器 - Google Patents

用于操作电气或流体促动器的方法以及用于促动器的运动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于操作电气或流体促动器(11)的方法，为促动器预定设定点位置，该方法包括以下步骤：提供设定点位置给路径规划单元(38)，且从设定点位置计算运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))，通过路径规划单元(38)将运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))提供至开环控制器件(39)和闭环控制器件(40)，在开环控制器件中取决于运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))来计算第一操纵变量分量，在闭环控制器件(40)中取决于运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))和分配至促动器(11)的位置传感器(35)的位置信号来计算第二操纵变量分量，在控制单元(41)中组合第一操纵变量分量和第二操纵变量分量，且将由操纵变量分量产生的控制信号(43、44)提供至促动器(11)，其中，监测器件(42)执行至少一个操纵变量分量的监测，且如果监测的操纵变量分量超过控制信号处的可预定阀值分量，则提供故障信号。

Description

用于操作电气或流体促动器的方法以及用于促动器的运动控 制器
技术领域
本发明涉及用于操作电气或流体促动器的方法，尤其通过较高级别控制装置为促动器预定设定点位置，该方法包括以下步骤：尤其通过较高级别控制装置提供设定点位置至路径规划单元，且基于设定点位置而计算运动值，通过路径规划单元将运动值提供至开环控制器件和至闭环控制器件，在开环控制器件中取决于运动值来计算第一操纵变量分量，在闭环控制器件中取决于运动值和分配至促动器的位置传感器的位置信号来计算第二操纵变量分量，在控制单元中组合第一操纵变量分量和第二操纵变量分量，且将由操纵变量分量产生的控制信号提供至促动器。本发明还涉及一种用于促动器的运动控制器。
背景技术
此方法和此运动控制器旨在使用最低可能的计算能力来允许复杂的促动器调节。这样做时，假设设定点位置可选地通过较高级别控制装置经由通信总线提供，或通过本地输入单元提供，较高级别控制装置可例如为可编程逻辑控制器(PLC)。设定点位置特别以数字编码信号或电流和/或电压水平的形式而提供至路径规划单元。基于设定点位置可能还涉及促动器的实际位置地执行运动值的计算。路径规划单元将一个或多个运动值，例如促动器行程和/或促动速度和/或促动加速度和/或促动急动度(actuation jolt，德语中为Stellruck)，提供至开环控制器件和闭环控制器件两者。在开环控制器件中，取决于运动值而执行第一操纵变量分量的计算。在闭环控制器件中，取决于运动值和与促动器相关联的位置传感器的位置信号而执行第二操纵变量分量的计算。计算的操纵变量分量然后在控制单元中组合，且从那里作为控制信号提供至促动器。
从DE 10 2008 052 255 A1，已知一种方法，其用于利用以下步骤来控制用于内燃机的阀的促动器：基于缸内压力和进气歧管中的压力和/或排气背压来计算用于促动器的目标力，其中，在设定点生成器中由曲柄角确定随时间的至少一个目标状态量，且在基于平稳度的先导控制中从目标状态量确定促动器的目标力，且目标状态量与对应状态量的实际值比较且确定向量差，且由此在扩展状态控制器中确定促动器的目标力；其中，目标力由在多个步骤中确定的向量差被匹配且目标力相加以给出总力，且从总力，借助于根据当前和预测的阀行程的至少一个曲线和/或至少一个映射，确定用于促动器的至少一个促动电流的设定点。
发明内容
本发明的目标在于提供一种用于操作电气或流体促动器的方法以及用于促动器的运动控制器，从而允许简单功能诊断。
该目的由根据权利要求1的特征的在上文提到的类型的方法实现。这里设置成，监测器件执行监测至少一个操纵变量分量，且如果监测的操纵变量分量超过在控制信号处的可预定阈值分量则提供故障信号。
在开环控制器件和闭环控制器件的适合设计中，在促动器的常规操作状态下，出现闭环控制器件的尤其可预定操纵变量分量，其不应当超过预定最大值。这里，常规操作状态应当意思是可在没有机械和/或电气和/或流体故障的情况下出现的且优选包括促动器的所有设定和所有允许速度和所有允许加速度的那些操作状态。基本上，可假设，在促动器的常规操作状态下，开环控制器件的操纵变量分量远远大于闭环控制器件的操纵变量分量。例如，可假设，在促动器的常规操作状态下，闭环控制器件的操纵变量分量小于20%，理想地在小于5%的范围中。相反，如果在促动器处出现至少一个机械和/或电气和/或流体故障，则出现开环控制器件和闭环控制器件的两个操纵变量分量之比的变化。这是归因于事实：由于故障的出现，促动器不再能够以没有故障的情况下的相同方式而作用于提供的控制信号。因此，为了实现由设定点代表的用于促动器的设定点位置，必须执行促动器的运动的再调整。这导致闭环控制器件的操纵变量分量的增加，其可在监测器件的帮助下确定，且如果超过可预定阈值分量则引起输出故障信号。该故障信号可例如在与促动器相关联的运动控制器(该方法也优选在其中运行)中引起用户信息的输出，例如以光信号和/或开关信号的形式。此外，或备选地，可设置成，运动控制器将适合的电气信号提供至较高阶控制装置，特别是可编程逻辑控制器或控制系统。在任何情况下，通过比较第一操纵变量分量和第二操纵变量分量，可对促动器是否还在正确工作或有故障进行清楚的声明。通常，在比较两个操纵变量分量之前，对至少一个操纵变量分量(特别是第二操纵变量分量)进行滤波或其他预处理，特别以便消除高频信号分量。比较两个操纵变量分量对于预防性维护而言是特别受关注的，例如，通过在较长时段上观察操纵变量分量，则可探测控制行为的逐步变化。作为这些变化的种类和出现，可得出可在促动器中发生的可能的磨损过程的结论，基于该结论，可选地在有利的时间可进行预防性和/或基于需要的维护或如果必要时促动器的替换，而不必考虑对整个系统(促动器形成其一部分)的巨大破坏。
本发明的有利改进方案是从属权利要求的主题。
有利的是，在路径规划单元中，在进行运动值的计算之前，执行所提供的设定点位置的对于与可预定运动约束和/或操纵变量约束的冲突的检查。在计算运动值(其在路径规划单元中进行)时，可考虑可预定边界条件，诸如，例如运动限制，其例如可由促动器的机械振幅限制、和/或操纵变量约束(诸如，例如，促动器的最大促动速度)预定。通过考虑这些边界条件，例如可避免促动器的过载。此外，类似地可避免的是：在没有故障存在的情况下仅因为促动器由于技术原因而无法以预定方式作用于控制信号，闭环控制器件的操纵变量分量同样增加。
在本发明的有利改进方案中，设置成，在开环控制器件中，利用控制路径的逆模型来执行第一操纵变量分量的计算。这里，控制路径的逆模型包括，在模型的期望或必要准确性的语境下对于最精确可能地描述促动器的行为所必要的所有参数。由于逆模型的代数结构，其还称为逆系统，在开环控制器件中，可使用相对较少计算能力而从由路径规划单元提供的运动值来计算第一操纵变量分量。这里特别有利的是，从一个或多个运动值计算第一操纵变量分量，不需要对微分方程的积分，这意味着由开环控制器件需要的计算功率可保持较低。
优选设置成，在控制路径的逆模型中，考虑来自以下组的与促动器可运动联接的流体阀的多个模型参数：液体质量流量、流体压力、或阀本体回复力。这些模型参数允许在确定操纵变量分量时尽可能实际地考虑由促动器驱动的构件(该构件可特别涉及流体阀)，且以此方式改进促动器的控制性能。此外，这样包含由促动器驱动的构件还允许了考虑且尤其识别在这些构件中的故障。相应地，控制路径的逆模型因此优选包含促动器的模型参数以及由促动器驱动的构件(特别是液体阀)的模型参数两者。
有利的是，在闭环控制器件中，除了计算第二操纵变量分量之外，利用故障模型执行控制器故障值的计算，且/或在开环控制器件中，除了利用控制路径的逆模型计算第一操纵变量分量之外，利用逆故障模型执行控制故障值计算。这样做时，可设置成，一个或多个故障模型或逆故障模型包含在闭环控制器件和/或开环控制器件中，这些故障模型分别被优化来识别某些故障且特别允许及早探测这些具体故障。如果可出现的故障可能严重地影响促动器和/或由促动器驱动的构件的功能，则这是特别受关注的，但在第一操纵变量分量和第二操纵变量分量中仅感知较少程度且仅在很久之后才被探测。在闭环控制器件中由故障模型输出的控制器故障值和/或在开环控制器件中由故障模型输出的控制故障值可特别供应给监测器件，以便在那里与预定阈值比较，且如果超过阈值则输出为故障信号。
在本发明的进一步构造方案中，设置成，监测器件执行第二操纵变量分量的监测，且如果控制信号处的可预定阈值分量由第二操纵变量分量超过持续长于可预定时间间隔，或第二操纵变量分量的积分超过可预定值，则监测器件提供故障信号。为了避免不必要的故障消息，设置成，仅在超过控制信号处的可预定阈值分量持续长于可预定时间间隔，或第二操纵变量分量的积分超过可预定值的情况下发送故障信号。例如，可设定各种时间条件；尤其可设置成，仅在超过可预定阈值分量落入相关联的时程内的情况下输出故障信号。备选地，可设置成，如果超过可预定阈值分量已在由时间间隙分开的多个独立时间长度中发生，但其总共超过了可预定持续时间，则发送故障信号。尤其可设置成，生成第二操纵变量分量的积分，其中，超过可预定积分值引起输出故障信号。
有利的是，开环控制器件利用基于平稳度的先导控制来计算第一操纵变量分量，且闭环控制器件基于传感器信号执行控制信号至设有第二操纵变量分量的运动值的匹配。
在本发明的有利改进方案中，设置成，在控制信号处的可预定阈值分量被第二操纵变量分量超过达尤其长于可预定时间间隔，或超过可预定积分值的情况下，执行继续驱动促动器。这里的显著优点在于：利用两个操纵变量分量组合驱动促动器可归因于开环控制器件和闭环控制器件。如果促动器处或由促动器驱动的构件处出现的故障不引起完全失效，则该方法允许继续操作，可能带有促动器和受驱动的构件的降低的性能或动态控制，同时发送传感器信号，以便能够采取对应的措施来允许清除故障。
本发明的目标还由一种用于促动器的运动控制器实现，如权利要求9中指示的那样。这里，运动控制器包括：输入接口，其构造成特别从较高级别控制装置接收设定点位置；驱动接口，其构造成提供功率流至促动器，且用于接收与促动器相关联的位置传感器；计算单元，其构造成处理设定点位置，且提供控制信号；以及功率放大器组件，其构造成根据控制信号将功率流提供至驱动接口，其中，设置成，计算单元布置成执行根据权利要求1至权利要求8中的一项的方法。
在运动控制器的有利改进方案中，设置成，计算单元包含路径规划单元、开环控制器件、闭环控制器件、监测器件以及控制单元作为软件模块。例如，设置成，计算单元构造成微处理器或微控制器，且具有至少一个存储区域，其中存储有软件模块，利用其可执行根据权利要求1至权利要求8中的一项的方法。
在运动控制器的进一步设计中，设置成，计算单元包含路径规划单元、开环控制器件、闭环控制器件、监测器件以及控制单元作为电子电路(特别是集成电路)的构件。在此情况下，计算单元特别构造为ASIC(专用集成电路)，且包括可自由编程的存储区域，其中可写入用于待驱动的促动器的模型参数。
有利的是，构造为流体促动器的促动器连接至驱动接口，且功率放大器组件构造为用于将流体功率流提供至促动器的阀组件。
有利的是，构造为电气促动器的促动器连接至驱动接口，且功率放大器组件构造为用于将电气功率流提供至促动器的电子开关组件。
有利的是，促动器可运动联接于流体阀，且在逆模型中，控制路径包括来自以下组的流体阀的多个模型参数：流体质量流量、流体压力、和阀本体回复力。
附图说明
本发明的有利实施例在附图中示出。这如下示出：
图1是过程阀的示意表达，其包括运动控制器、流体促动器和阀装置，
图2是运动控制器的功能的示意性框图，且
图3是在运动控制器中处理目标值的高度简化流程图。
具体实施方式
在图1中示意性示出的过程阀1构造成影响在流体通道2中的未更详细示出的过程流体的流体流。例如，流体通道2由阀壳体3界定，阀壳体3具有入口连接件4和出口连接件5以及阀座6。阀座6构造为流体通道2的管状区段7的开口，且具有圆形前面8。阀座6靠在阀本体9上而形成密封，阀本体9与推杆10联接，而推杆10对于其部分与促动器11连接。这里，阀本体9和阀壳体3(其中构造有阀座6)以及入口连接件4和出口连接件5形成阀14。
促动器11涉及单作用、弹簧加载的流体缸，其包括缸壳体12以及缸壳体12中的滑动和密封的工作活塞15。这里，缸壳体12中的凹部16和工作活塞15形成流体工作空间17，其可填充有加压流体以执行工作活塞15沿运动轴线18的线性运动。
如可从图1中的表达可见的那样，工作活塞15处于第一功能位置，其中阀本体9靠在阀座6上而形成密封。在该功能位置，还布置在工作活塞15和缸壳体12的端部区域19之间的复位弹簧20变形且以此方式已存储动能。当工作空间17中的主要的流体压力下降时，复位弹簧20允许阀本体9的打开运动，其结果是，阀本体9从阀座6升高，且释放入口连接件4和出口连接件5之间的流体连通横截面。这允许过程流体在入口连接件4和出口连接件5之间流动。
为了允许将加压流体提供至工作空间17，缸壳体12具有连接开口21，流体线路22连接至连接开口21。流体线路22与供应阀23和排泄阀24两者连接。这里，供应阀23意在设定从流体源25至工作空间17的流体流，而排泄阀24构造成将流体从工作空间17带走。例如，设置成，供应阀23和排泄阀24构造成电气控制的比例阀。
相应地，供应阀23和排泄阀24经由控制线路26、27与运动控制器28的驱动接口29、30电气连接，其功能结合图2和图3更详细地描述。
如可从图1中的表达可见的那样，运动控制器28还具有控制接口31、传感器接口32以及例如输入器件33。例如，输入器件涉及控制旋钮，受其帮助，可运动电位计(未示出)，以便将设定点手动地提供至运动控制器28。控制接口31构造成与较高级别控制装置(未示出)通信，优选经由通信总线，尤其可编程逻辑控制器(PLC)。传感器接口32经由传感器线34与位置传感器35电气连接，位置传感器35例如在缸壳体12的端部区域19布置在推杆10附近。位置传感器35的任务是提供传感器信号至运动控制器28，传感器信号取决于推杆10沿运动轴线18的位置。仅例如，在运动控制器28上，例如布置有构造为发光二极管的信号装置36，其功能类似地结合图2更详细地论述。
如可从图2的示意性框图可见的那样，运动控制器28包括多个功能构件，其特别构造为计算单元37和功率放大器组件48。计算单元37仅示意性地分成各种功能块，其构造用于部分单向和部分双向数据交换，如下文更详细地论述的那样。功率放大器组件48例如涉及电子开关机构49、50，特别是场效应晶体管，其可在来自计算单元37的控制信号的帮助下被驱动，以将电气功率提供至驱动接口29、30，且因此允许相关联的阀(供应阀23、排泄阀24)的打开和关闭运动。
计算单元37中的功能块的以下描述对于将这些功能块设计为计算单元37的离散或集成电路构件以及设计为能够在计算单元37上运行的软件模块两者都是有效的。
仅例如，设置成，计算单元37包括路径规划单元38、开环控制器件39、闭环控制器件40、控制单元41以及监测器件42。
这里，路径规划单元38的任务在于根据设定点位置将至少一个运动值提供至开环控制器件39和至闭环控制器件40，该设定点位置可选地由较高级别控制装置或由输入器件33(其例如涉及旋转电位计)提供至控制接口31。在路径规划单元38中，进行至少一个运动值从设定点位置的计算。优选设置成，路径规划单元38提供用于促动器11的运动的目标位置和/或目标速度和/或目标加速度和/或目标急动度。例如假设，路径规划单元38不知道促动器11以及与其联接的构件(其根据图1例如可涉及推杆10以及附接至其的阀本体9)的实际位置。实际上，路径规划单元38的任务在于在合理性(Plausibility,即德语Plausibilität)上检查提供的设定点位置，且考虑促动器11以及联接至其的构件的运动上存在的任何约束，且根据这些约束输出必要的运动值。
这些运动值在开环控制器件39中以及在闭环控制器件40中被处理，且产生设定点信号，其由控制单元41接收和组合，且在那里转换成用于功率放大器组件48的电气开关机构49、50的适合的控制信号43、44。基于控制信号43、44，在开关机构49、50中然后产生电气功率至驱动接口29、30的对应释放，使得在各种情况下相应地连接的阀(供应阀23、排泄阀24)能够采取期望的功能位置。
计算单元37还包括监测器件42，其优选以与控制单元41相同的方式构造，以用于从开环控制器件39和从闭环控制器件40接收相应的设定点信号，且其构造成评估提供的操纵变量分量，以允许在连接的促动器11的正确功能以及连接的促动器11的故障功能之间区分。至此，尤其使开环控制器件39的操纵变量分量与闭环控制器件40的操纵变量分量比较，以便可基于已经找到的操纵变量分量之比来执行期望的诊断功能。这里，期望的是，开环控制器件39的操纵变量分量远远大于闭环控制器件40的操纵变量分量。如果是这种情况，则可假设促动器的正确功能。然而，如果通过监测器件42确定闭环控制器件40的操纵变量分量在可预定阈值之上尤其达长于可预定时段，则监测器件42构造成输出故障信号，其可选地或累积地可提供至控制接口31和/或信号装置36，以便标识在促动器11或相关联的构件(特别是阀14)中的故障。
图3示出了用于确定至少一个控制信号43、44的计算过程的高度概要表达，其中图3仅是图1和图2中所示的构件的另一种类型的图示表达，意味着使用相同的参数标号。对于计算过程假设，以基于时间的位置值X1s(t)的形式的对于促动器11的设定点位置由较高级别控制装置45经由控制接口31(未更详细示出)提供至路径规划单元38，也称为轨迹生成器。在路径规划单元38中，根据提供的设定点位置x1s(t)进行多个运动值的计算。例如，运动值包括目标位置xd(t)以及目标位置的一阶导数x’d(t)(目标速度)、目标位置的二阶导数x’’d(t)(目标加速度)以及目标位置的三阶导数x’’’d(t)(目标急动度)。这些运动值在其可由闭环控制器件40使用之前供应至开环控制器件39和闭环控制器件40。开环控制器件39包括控制路径的逆模型Σ-1，使得运动值到开环控制器件39中的输入引起输出第一操纵变量Us(t)，也称为第一操纵变量分量。例如，闭环控制器件40构造为PI控制器，且输出第二操纵变量UR(t)，也称为第二操纵变量分量。两个操纵变量分量在控制单元41中组合，以形成操纵变量U(t)，且然后供应至待控制路径46(Σ)，该路径配备有位置传感器35，位置传感器35的信号经由传感器线路34供应至闭环控制器件40。

Claims (14)

1.用于操作电气或流体促动器(11)的方法，为所述促动器预定设定点位置，所述方法包括以下步骤：提供所述设定点位置至路径规划单元(38)，且从所述设定点位置计算运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))，通过所述路径规划单元(38)将所述运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))提供至开环控制器件(39)和闭环控制器件(40)，在所述开环控制器件中取决于所述运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))来计算第一操纵变量分量，和在所述闭环控制器件(40)中取决于所述运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))和分配至所述促动器(11)的位置传感器(35)的位置信号来计算第二操纵变量分量，在控制单元(41)中组合所述第一操纵变量分量和所述第二操纵变量分量，且将由所述操纵变量分量产生的控制信号(43、44)提供至所述促动器(11)，其特征在于，监测器件(42)执行至少一个操纵变量分量的监测，且如果监测的操纵变量分量超过所述控制信号处的可预定阈值分量，则提供故障信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述路径规划单元(38)中，在进行所述运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))的计算之前，执行所述提供的设定点位置对于与可预定运动约束和/或操纵变量约束的冲突的检查。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述开环控制器件(39)利用控制路径的逆模型(39)来执行所述第一操纵变量分量的计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述控制路径的逆模型(39)中，考虑来自以下组的与所述促动器的可运动联接的流体阀(14)的多个模型参数：液体质量流量、流体压力、或阀本体回复力。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述闭环控制器件(40)中，除了计算所述第二操纵变量分量之外，利用故障模型执行闭环控制故障值的计算，且/或在所述开环控制器件(39)中，除了利用所述控制路径的逆模型(39)计算所述第一操纵变量分量之外，利用逆故障模型执行开环控制故障值的计算。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监测器件(42)执行所述第二操纵变量分量的监测，且在于，如果所述控制信号处的可预定阈值分量由所述第二操纵变量分量超过持续长于可预定时间间隔，或所述第二操纵变量分量的积分超过可预定阈值分量，则所述监测器件提供所述故障信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开环控制器件(39)利用基于平稳度的先导控制来计算所述第一操纵变量分量，且在于，所述闭环控制器件(40)基于所述传感器信号执行所述控制信号至设有所述第二操纵变量分量(40)的运动值(xd(t)、x’d(t)、x’’d(t)、x’’’d(t))的匹配。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还在所述控制信号处在可预定阈值分量由所述第二操纵变量分量超过的情况下，执行继续驱动所述促动器(11)。
9.用于促动器(11)的运动控制器，包括：输入接口(31、33)，其构造成接收设定点位置；和驱动接口(29、30、32)，其构造用于提供功率流至促动器(11)，且用于接收与所述促动器(11)相关联的位置传感器(35)；和计算单元(37)，其构造成处理控制信号中的设定点位置；以及功率放大器组件(48)，其构造成根据所述控制信号将功率流提供至所述驱动接口(29、30)，其特征在于，所述计算单元(37)构造成执行根据权利要求1所述的方法。
10.根据权利要求9所述的运动控制器，其特征在于，所述计算单元(37)包含路径规划单元(38)、开环控制器件(39)、闭环控制器件(40)、监测器件(42)以及开环控制单元(41)作为软件模块。
11.根据权利要求9所述的运动控制器，其特征在于，所述计算单元(37)包含路径规划单元(38)、开环控制器件(39)、闭环控制器件(40)、监测器件(42)以及开环控制单元(41)作为电子电路的构件。
12.根据权利要求9所述的运动控制器，其特征在于，构造为流体促动器的促动器(11)连接至所述驱动接口(29、30)，且所述功率放大器组件(48)构造为用于将流体功率流提供至所述促动器(11)的阀组件(23、24)。
13.根据权利要求9所述的运动控制器，其特征在于，构造为电气促动器的促动器连接至所述驱动接口，且所述功率放大器组件构造为用于将电气功率流提供至所述促动器的电子开关组件。
14.根据权利要求12所述的运动控制器，其特征在于，所述促动器(11)与流体阀(14)可运动联接，且在于，在控制路径的逆模型(39)中，包括来自以下组的所述流体阀的多个模型参数：流体质量流量、流体压力、和阀本体回复力。
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