CN108930786B - 用于控制静压的驱动装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制静压的驱动装置的方法，所述静压的驱动装置具有：驱动机、与所述驱动机耦联的液压泵以及通过处于压力下的液压的工作管路与液压泵耦联的液压马达，其中，由用于由所述液压马达驱动的输出轴上的转矩的输出转矩目标值，在考虑由用于所述驱动机的、预先给定的运行点特征曲线而得到的所述驱动机的转速和转矩的情况下，以及在考虑包括所述液压泵和所述液压马达的至少一个调整单元的容积的和机械的损失的情况下，计算包括用于所述静压的驱动装置的至少一个执行参量的执行参量矢量，并且所述执行参量矢量被用于控制所述静压的驱动装置。

Description

用于控制静压的驱动装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制静压的驱动装置、尤其行驶驱动装置的方法，以及用于执行所述方法的计算单元和计算机程序。

背景技术

在静压的驱动装置中，液压泵由驱动机驱动，驱动机通常是内燃机、例如柴油机。通过液压泵，一个或多个与其连接（例如在打开的或闭合的液压回路中）的液压马达（用于旋转运动）、液压缸（用于线性运动）以及必要时阀等被驱动，以实现如工作和行驶功能的功能。对于行驶功能，例如液压马达驱动一个或多个车轮等并且在此其本身由液压泵驱动。例如，静压的行驶驱动装置通常在移动式工作机械中得到应用，也就是具有行驶驱动装置的机械，例如农业机械、挖掘机、移动式起重机、转运设备、地方车辆、紧凑型装载机、叉车、机场牵引机等。液压马达至少通常被构造为调整单元，也就是具有可调整的工作容积的调整单元。

为了提高驱动系的效率，可以在驱动机之后使用功率分支，在该功率分支中机械的功率路径平行于静压的部件安装。

静压的驱动装置的操控最初机械地或液压地进行。在此，通常为每个执行参量分配一个操作元件。目前使用的电子操控的系统中的许多系统已经采用了这种操控构思并且大多数直接在明确的分配中将操作部件预先给定映射到执行参量上。

由DE 10 2010 020 004 A1例如公开了一种操控，在该操控中转矩调节在功率-或转矩调节器的意义下在泵轴上实现。为此通过执行装置来调节泵的工作容积。

由DE 10 2014 224 337 A1已知的是，由用于液压工作回路中的压力、液压泵的转速或静压的驱动装置的输出参量的预先给定的目标值，在预控过程中获取和调节静压的驱动装置的多个执行参量中的至少一个执行参量，并且自动跟随其他调节参量和/或执行参量。

发明内容

根据本发明提出了一种用于控制静压的驱动装置、尤其行驶驱动装置的方法，以及用于执行所述方法的计算单元和计算机程序。有利的设计方案是优选实施例和以下描述的主题。

本发明涉及一种调节策略，其允许将驾驶员期望力矩施加在由液压马达或液压的马达所驱动的输出轴上，所述输出轴例如与驱动轮连接。为此，提供高达三个执行参量以供使用：即，驱动机（例如内燃机）的驱动力矩以及液压的调整单元的两个调整容积（即，液压泵的输送容积和液压马达的吞咽容积）或原则上液压泵和液压马达之间的传动比。本发明的显著的优点在于，可以降低系统中出现的驱动装置的损失功率。同时，可以考虑系统的执行参量限制，所述执行参量限制尤其呈驱动机的最大力矩和/或受限的调整容积的形式。

所使用的多参量调节的重要的分量是静态的最佳的工作点的产生，其中系统中的损失功率被最小化。在此，目的是在最佳的效率（所谓的“运行曲线”，通常接近内燃机的全负荷曲线）的运行点曲线（即，转矩/转速对）上运行所述驱动机并且同时最小化由于在液压的调整单元中的容积的和机械的损失而产生的功率损失。最佳的运行点形成了所测量的系统参量，即压力和转速的多参量调节的基础。过促动的系统结构允许在调节器设计中系统地考虑所述执行参量限制。

从准静态的预控开始，优选使用动态的预控来改进本发明优选的改进方案中的高动态的力矩需求中的引导特性。在本发明的其他的优选的改进方案中，使用稳定的调节器来补偿参数波动并抑制非模型化的干扰。

根据本发明的计算单元、例如静压的驱动装置的控制设备尤其以程序技术的方式被设置用于执行根据本发明的方法。

以计算机程序的形式来实现该方法也是有利的，因为这导致尤其低的成本，尤其当实施的控制设备还被用于其他任务并因此本来已经存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁存储器、光学存储器和电存储器，例如，硬盘、闪存、EEPROM，DVD等。也可以通过计算机网络（互联网，内联网等）来下载程序。

本发明可用于具有驱动机（例如内燃机）、初级调整泵和次级调整马达的液压的驱动装置、尤其行驶驱动装置。驱动装置的拓扑结构可以是串联的或功率分支的。液压回路可以打开或闭合。本发明尤其可以用于乘用车中的液压行驶驱动装置（液压混合动力车辆“液压动力系统”或“液压混合动力车辆”）或移动工作机械。

由说明书和附图中得到本发明的其他优点和设计方案。

应该理解的是，前面提及的和下面将要解释的特征不仅可以以相应给出的组合使用，而且也可以以其它组合或单独地使用，而不偏离本发明的范围。

附图说明

借助于附图中的实施例示意性地示出了本发明并且将在下面参考附图详细地描述本发明。其中：

图1示意性地示出了具有内燃机、行星齿轮传动装置和液压的调整单元的功率分支的驱动系的模型；

图2示出了根据本发明的优选的实施方式的调节回路的基本结构；

图3示出了内燃机的典型的力矩特征曲线；

图4示出了根据本发明的优选的实施方式所得到的根据行驶速度的执行参量；

图5示出了用于说明根据本发明的优选的实施方式操纵的驱动系的加速过程的图表。

具体实施方式

图1示意性地示出了可以基于本发明的功率分支的驱动系100的模型。驱动系100例如是行驶驱动系并且具有例如被构造为内燃机110的驱动机，被构造为行星齿轮传动装置120的功率分支传动装置后置于该驱动机。功率分支传动装置具有用于静压的功率分支的输出轴121和用于机械的功率分支的输出轴122。

输出轴122通过传动装置和输出轴150与一个或多个车轮151连接。

输出轴121通过传动装置与被构造为具有可调整的工作容积V₁的调整单元的液压泵130连接。液压泵130通过（借助于过压阀131进行确保安全的）的高压管路132和低压管路（具有低压存储器或箱133）与被构造为具有可调整的吞咽容积V₂的调整单元的液压马达140连接。液压马达140同样通过传动装置与输出轴150连接。

总体而言，通过预先给定驱动机110的驱动力矩M_m和泵130或马达140的调整容积V₁、V₂，在输出轴150上得到驱动力矩M_w。

为了通过预先给定执行参量来操纵静压的驱动装置，可以使用尤其计算机实施的、根据本发明的优选的实施方式的调节回路图200，如其在图2中示意性地示出的那样。调节回路图具有控制元件210和调节路径220。

驾驶员期望力矩

作为目标参量提供给控制元件210。控制元件被设置为由驾驶员期望力矩

和从调节路径220回引的输出轴转速ω_w计算和输出包括用于调整度和驱动机力矩

的目标值的执行参量矢量u^d。

这基本上基于通过预控元件201的准静态的预控，所述预控元件被设置用于：由驾驶员期望力矩

和输出轴转速ω_w来计算和输出准静态的预控的执行参量矢量

。

根据本发明的一个优选实施方式，预控元件201还设置用于由驾驶员期望力矩

和输出轴转速ω_w来计算和输出动态的预控的执行参量矢量u^Δ，该执行参量矢量与准静态的预控的执行参量矢量u*一起形成预控的执行参量矢量u^ff。由于额外地考虑了动态的预控，改善了引导特性、即所述调节对目标值变化的反应，而准静态的分量为静态的情况提供了必要的执行参量。

根据本发明的另一个优选的实施方式，控制元件210也具有调节元件202，该调节元件被设置用于：由包括高压力p_h和驱动转速ω_m的目标状态z*与实际状态z之间的调节偏差来计算并输出所述调节的执行参量矢量u^fb。所述调节的执行参量矢量u^fb与所述预控的执行参量矢量u^ff一起形成执行参量矢量u^d=u^ff+u^fb 。这改善了干扰特性，即所述调节对干扰的反应。

下面将参照附图描述相应方法的优选的实施方式。

建模

调节器设计的基础是检测系统中主要的动态过程的驱动系的模型。举例来说，下面将考虑根据图1的功率分支的驱动系的建模。两个液压的调整单元130和140被实施成以斜盘结构形式的轴向柱塞机并且在下面被称为'AKM1'和'AKM2'。其高压侧的耦联器被建模为恒定的液压容积V_h。由此得到了高压的动态

其中，液压流体的压缩模量为β，并且AKM1和AKM2 的容积流量为q₁和q₂。

由于低压存储器133的较大的容积，所以低压动态可以被忽略。因此，适用

并且可以在不限制一般性的情况下设定p_n = 0。

有利地将AKM1和AKM2以带有损失的方式进行建模，由此（1）中的容积流量q_i和力矩M_i呈以下形式：

其中i = 1、2，并且针对调整度α_i=±1，每弧度的最大能达到的调整容积为V_i。

调整单元的容积损失q_i,v和流体力学的损失M_i,v基于静态的测量以合适的多项式函数的形式在运行参量即调整度α_i、压力p_h和旋转角转速ω_i中近似计算。

根据按照图1的机械的等效线路图对驱动系的运动学进行建模。行星齿轮传动装置120具有三个连接轴，其中输入轴（左，旋转角转速ω_m）直接与驱动机110耦联。输出轴121、122（右）与AKM1（旋转角速度ω₁）或与输出轴（旋转角速度ω_w）通过恒定的传动比i_i或i_w耦联。通过运动学强制条件（威利斯方程）

描述行星齿轮传动装置的三个连接轴之间的耦联，其中在静止的输入轴（ω_m=0）的情况下，两个输出轴121、122之间的传动比被称为i₀。

如果使用两个独立的旋转角转速ω_m和ω_w，那么AKM1和AKM2的旋转角转速可以用（3）来给出，

其中，i_1w=i₀i_w/i₁，i_1m=(1-i₀)/i₁,并且AKM2和输出轴150之间的传动比为i₂。

为了导出运动方程，假设驱动系（齿轮、轴、驱动轮等）的所有转动惯量都减少成图1的三个转动惯量J_m、J₁和J_w。这个系统的动能为

，其中车辆质量为m_v，并且车辆速度为v_v=ω_wr_w（车轮半径为r_w）。

如果考虑（4），运动方程为

其中（5）左侧的正定质量矩阵具有恒定的项

和

。（5）的右侧的广义力包括根据（2b）的AKM1和AKM2的力矩M₁和M₂以及驱动机110的力矩M_m。

沿纵向方向从外部作用到车辆重心的力F_e（例如，空气和滚动阻力、斜坡从动力）被建模为外部的力矩M_e=r_wF_e。

待调节的系统参量由驱动力矩M_w给出，该驱动力矩的目标值由驾驶员通过行驶踏板的位置来预先给定（驾驶员期望力矩

）。为了计算M_w，从（5）中消除

并得到

其中，等效惯性矩为

，并且驱动力矩为

微分方程（1）和（5）在考虑（2）和（4）的情况下以状态空间表示

来描述，其中，状态为

，输入为

，并且根据（7）的待调节的输出为y=M_w。

在所考虑的系统中，下级的调节器优选用于调整度和马达的驱动力矩，所述调节器将（8）中的输入u跟随到期望的输入

。在此，期望的输入u^d形成下面开发的调节策略的执行参量。

下级的调节回路的动态可以例如通过时间或频率域的线性模型来近似计算。执行参量限制

考虑到调整度的限制

以及驱动机110的力矩限制

。在此，驱动机110的最大力矩由其全负荷曲线

给出，参见图3。

最佳工作点的生成

对于在驱动轴150的旋转角速度ω_w时预先给定的驾驶员期望力矩

，由（8）的稳定性条件

并且在考虑

的情况下，由（6）得到三个非线性方程

因此，对于预先给定的配对

，存在用于确定五个未知参量α₁、α₂、M_m、ω_m和p_h的两个自由度。

所述两个自由度中的第一个自由度由在预先给定的运行点特征曲线（运行曲线）上静态地运行驱动机110的要求确定。在此，预先给定的运行点特征曲线以转速-转矩特征曲线中的函数关系

的形式近似计算，参见图3。

剩下的自由度通过最小化由于容积的和机械的损失而引起的液压的调整单元130、140中的静态的损失功率

来确定。为此，定义优化变量的矢量

，并求解以下优化问题：

在（10）和

（11b）的限制下

静态的优化问题（11）的最优解w*针对预先给定的配对

定义最佳工作点的特征曲线，参见图4。

最佳工作点的特征在于，液压的调整单元的静态的损失功率P_v被最小化并且驱动机110在运行曲线

上运行。通过不等式限制条件（11c）考虑优化变量的允许的运行范围。

多参量调节

为了实现时间上变化的力矩预先给定

，优选使用根据图2的MIMO调节策略（多参量调节，英语：multiple input multiple output，多输入多输出） 。

在此，由（11）的解所确定的特征曲线形成

准静态的预控

和用于压力和转速的目标轨迹

。

引导特性的改善通过调节定律

来实现，由此准静态的预控u*扩展了动态的预控的分量u^Δ和稳定的调节器的分量u^fb。

对于调节器设计，下级的调节器的动态被忽略，因此适用u = u^d。此外，（5）的第一行中的项

被忽略并且针对调节器设计得到简化的模型

其中状态为

，输入为

，矢量为

并且矩阵为

其中ω_i，根据（4），i= 1、2。

输出转速ω_w被认为是由外部预先给定的（可测量的）参量，并且其动态在调节器设计中没有被考虑到。

动态的预控

例如，将u=u*+u^∆带入到（14）中，于是针对 动态的预控u^Δ得到

。

利用稳定性条件

并且利用简化条件

，得到欠定线性方程组

以用于计算u^Δ。

在选择u^Δ的自由度借助于以下优化问题的求解来确定：

在

（20b）的限制下

通过成本函数（20a）中的正定权重矩阵W可以用于有目的地影响哪些执行参量应该优选地用于动态的预控。此外，c表示u^Δ的期望的偏移。

条件（19）在优化问题中以线性方程限制条件（20b）的形式被考虑。优化问题（20）具有最优解

其中，

的加权的伪逆为

。

对于高度动态的力矩要求，可能出现的情况是：根据（21）的最优解违反根据执行参量限制（9）的限制

其中

以及

。

例如，为了在计算u^Δ时考虑（22），可以使用在文献中在英文术语RedistributedPseudoinverse下可以找到的算法，参见例如W. S. Levine，The Control Handbook，第二版：Control System Applications，CRC出版社，Boca Raton，佛罗里达，2010。

在此，针对（21），如果没有违反限制（22），则使用c = 0。否则，也就是说，如果对于

，

或

，则将用于c的偏移

引入，其中将相应的执行参量设置为其限制。最后，由以下方程获得限制的动态的预控：

其中S_i表示S中第i列被零矢量替换而形成的矩阵。加权矩阵以对角形式预先给出，即，

，其中

并且

。

稳定的调节器

利用根据（13）的

，得到误差系统

对于误差

。在假设

并考虑（18）和（19）的情况下，将误差系统（24）简化为：

其中矩阵为

在此，公式

被考虑用于根据（16）的S。

由于下级的调节器的相对较慢的动态，解耦调节器不适用于稳定所述误差系统（25）。相反，考虑u^fb和e之间的静态的关系

，所述关系由

时的（25）并在考虑（27）的情况下获得。如果要求e = v，则可以得到以下公式

以确定调节器分量u^fb。

误差系统的静态的解耦由预先给定

在利用对角矩阵K_i和K_p的情况下来实现。这些矩阵的项通过仿真场景以实验的方式确定。为了确保在整个运行范围内（参见图4）足够的误差系统阻尼，对于

的矩阵K_p的加权增加。为了将在由（28）确定u^fb时的自由度进行固定，使用与确定所述预控分量相同的算法。在这种情况下，待考虑的不等式限制为

根据（9）和（13）。

与所述预控相反，带有项

和

的呈对角形式的加权矩阵是合适的。

图3以转速-转矩特征曲线的形式示出内燃机的典型的转矩特征曲线。最大力矩由全负荷曲线301的所测量的数据点（图中的x）给出。最大力矩M⁺(ω_m)的解析表示可以例如通过三次样条插值来完成。图3还示出驱动机110的运行曲线302的典型的走势。运行曲线连接驱动机110的转速-转矩特征曲线中的工作点（图中的ο），其中期望的机械功率M_mω_m（功率双曲线）的效率被最大化。以分析形式的运行曲线的近似表示M_m*(ω_m)可以例如通过 M_m*(ω_m)=k₀+k₁tanh(k₂ω_m-k₃)给出，其中合适的参数k_i，i = 0,…, 3。

图4示出了在根据横坐标上的车辆速度v_v=ω_wr_w的压力p_h和力矩（图例）的标准化表示的情况下由优化问题（11）的最优解定义的工作点的特性曲线。对驾驶员期望力矩

的依赖性反映在不同的图表中。优化变量的用虚线示出的限制指示压力p_h、转速ω_m以及两个调整度α₁、α₂的允许的运行范围。在所示示例中，将调整度限制为|α_i| ≤0.9为调节器提供执行储备。

图5示出了用于在标准化表示驱动机110的压力p_h、驱动力矩M_w和力矩M_m的情况下用于图示根据本发明的优选的实施方式来操纵的驱动系的加速过程的模拟图表。

具体地，图5a示出了驱动机的转速ω_m的走向，图5b示出了调整度α₁（下面，小于零）以及α₂（上面，大于零），图5c示出了标准化的高压p_h，图5d示出了驱动机110的力矩M_m，图5e示出了驱动力矩M_w，并且图5f示出了行驶速度v_v。

在图5a、5c和5e中，目标值（粗线）和模拟的（实际）值（细线）被相应地相对于时间绘制。在图5f中仅示出了模拟的（实际）值，因为对于行驶速度没有目标值。在图5b和5d中，用粗线绘制由纯准静态的预控u*得出的目标值，并且用细线绘制总计（u^d）由预控和调节得出的目标值。现有限制以虚线表示。

为了研究实际情况，用于转速和压力的传感器在模拟中加载有噪声。为了显示调节策略的稳健性，调整单元的损失以与名义值高达30％的偏差进行模拟。即使在驱动机110的高的加速度的情况下，在动态的预控中对执行参量限制的考虑也确保了目标值上的压力的非常好的稳定性，在高的加速度的情况下通常需要最大的力矩。

在图5a中可以看出，在模拟中，驱动机的转速ω_m直接跟随目标值。

图5e中观察到的输出力矩M_w的调节误差主要由系统决定并且原则上不能通过所述调节进行补偿。一方面，输出力矩的急剧增加要求驱动机110的如此强的加速度，使得在短时间内馈入的功率的相当大一部分被施加用于加速驱动机110并且由此导致输出力矩的中断。另一方面，驱动机110的功率受限于最大允许的转速（图5a中，例如6000min^-1）。如果所需的功率超过最大功率，即使在驾驶员期望力矩恒定走势的情况下，输出力矩也会偏离目标值。

Claims (14)

1.一种用于控制静压的驱动装置（100）的方法，所述静压的驱动装置具有：驱动机（110）、与所述驱动机（110）耦联的液压泵（130）以及通过处于压力（p_h）下的液压的工作管路（132）与液压泵（130）耦联的液压马达（140），

其中，由用于由所述液压马达（140）驱动的、以输出轴转速（ω_w）旋转的输出轴（150）上的转矩的输出转矩目标值（

），

在考虑由用于所述驱动机（110）的、预先给定的运行点特征曲线（302）而得到的所述驱动机（110）的转速（ω_m）和转矩（M_m）的情况下，以及

在考虑包括所述液压泵（130）和所述液压马达（140）的至少一个调整单元的容积的和机械的损失的情况下，

计算包括用于所述静压的驱动装置（100）的至少一个执行参量的执行参量矢量（u^d），并且所述执行参量矢量被用于控制所述静压的驱动装置（100）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在考虑所述至少一个执行参量的至少一个执行参量限制的情况下计算所述执行参量矢量（u^d）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述执行参量矢量（u^d）具有静态的预控分量（u*），在遵守由用于所述驱动机（110）的预先给定的运行点特征曲线（302）而得到的驱动机（110）的转速（ω_m）和转矩（M_m）的情况下，通过求解为了使由于所述至少一个调整单元的容积的和机械的损失而引起的静态的损失功率最小化的优化问题来确定所述静态的预控分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过求解所述优化问题，根据所述输出轴（150）的输出转矩目标值（

）和输出轴转速（ω_w）来获取具有多个工作点的特征曲线。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述执行参量矢量（u^d）具有动态的预控分量（u^∆），所述动态的预控分量根据通过所述液压的工作管路（132）中的压力（p_h）和/或所述输出轴（150）的输出轴转速（ω_w）来表征的目标状态（z*）的时间上的变化来确定。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述执行参量矢量（u^d）具有调节器分量（u^fb），所述调节器分量平衡通过所述液压的工作管路（132）中的压力（p_h）和/或所述输出轴（150）的输出轴转速（ω_w）来表征的目标状态（z*）与实际状态（z）之间的调节偏差。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在预先给定所期望的误差动态的情况下，所述调节器分量（u^fb）利用合适的调节器参数来确定。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述运行点特征曲线（302）基于最佳效率的曲线和/或根据全负荷曲线来预先给定。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中用于所述静压的驱动装置（100）的所述至少一个执行参量包括影响所述液压泵（130）和所述液压马达（140）之间的传动比的执行参量和/或所述驱动机（110）的驱动力矩（M_m）。

10.根据权利要求9所述的方法，其中影响所述液压泵（130）和所述液压马达（140）之间的传动比的所述执行参量包括所述至少一个调整单元的调整容积（V₁、V₂）。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个调整单元的容积的损失和流体力学的损失基于静态的测量以多项式函数的形式根据所述液压的工作管路（132）中的压力（p_h）和所述至少一个调整单元的调整度（α_i）和旋转角速度（ω_i）来获取。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述静压的驱动装置（100）具有带有机械的功率分支的功率分支传动装置（120）和/或所述静压的驱动装置（100）为行驶驱动装置。

13.一种计算单元，其被设置用于执行根据前述权利要求之一所述的方法。

14.一种机器可读的存储介质，其具有存储在其上的计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上被实施时，所述计算机程序促使所述计算单元执行根据权利要求1至12之一所述的方法。

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