CN110594230B - 用于液压系统的实时操控策略 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生促动器(230)的调节参数轨迹(u*(t))的方法,以用来影响系统的输出参数(y(t)),其中,把系统的输出参数的给定值(yref(t))供应给轨迹规划部(210),该轨迹规划部由所述给定值(yref(t))产生由滤波器积分链(215)的有限的输入值()构成的轨迹,并产生由平缓的给定状态(z*(t))构成的轨迹,其中,把由有限的输入值()构成的轨迹和由平缓的给定状态(z*(t))构成的轨迹供应给基于平缓性的预控制部(220),该预控制部由此产生用于所述促动器(230)的调节参数轨迹(u*(t)),其中,在所述轨迹规划部(210)中,为了产生由有限的输入值()构成的轨迹,根据由平缓的给定状态(z*(t))构成的轨迹来应用至少一个约束项(213、214)。

Description

用于液压系统的实时操控策略
技术领域
本发明涉及一种用于产生特别是液压系统的能够电操控的比例阀的促动器的调节参数轨迹的方法,以用来影响系统的输出参数。
背景技术
液压系统通常主要由诸如泵和阀的组件所组成。这些组件受到物理上的约束。因而例如对于磁阀(即能够电操控的螺线管阀),主要限定阀的操控电流以及阀滑块的位置。这些约束项可以在模型中体现为状态约束和调节参数约束。为了综合实时的调控技术的结构、比如调控器或预控制部—如其特别是在利用操纵杆或油门踏板进行操纵时需要,系统地遵守约束形成了一种挑战。
在控制中系统地考虑约束的可行方案是,采用模型预估的调控或控制(MPC),其还能实现针对规定的品质功能最佳地操控液压系统。但MPC有如下缺点:即,在每个迭代步骤中在运行时间期间必须数字地解决优化问题。这要么需要相应快速的且昂贵的(数字)硬件组件或者对于具体的MPC-问题而已关键的解决方案,这产生了相应高的研发耗费和实施耗费。
为了避免这些缺点,可以代替MPC而采用带有相应的轨迹规划的基于平缓性的预控制,以用于实时地控制液压系统。为了实现(非线性的)基于平缓性的预控制,针对平缓的输出及其时间导数,需要(可连续微分的)轨迹。这些轨迹必须实时地根据待控制参数的先验的未知的(由使用者规定的)参考值予以规划。为此可以采用低通滤波算法、即所谓的‘状态变量滤波器’。这具有如下缺点:即,不能在轨迹规划中系统性地考虑到物理的和几何的约束,因而要么产生不可实现的或者次优的、即保守的轨迹。
发明内容
根据本发明,针对特别是液压系统的可电操控的比例阀的促动器,提出一种用来产生调节参数轨迹的方法,以用于影响系统的输出参数,以及提出用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序。
在用于产生促动器用的调节参数轨迹的、以用来影响系统的输出参数的所述方法中,把系统的输出参数的给定值供应给轨迹规划部,该轨迹规划部由所述给定值产生由滤波器积分链用的有限的输入值所构成的轨迹,并产生由平缓的给定状态所构成的轨迹,其中,把由有限的输入值所构成的轨迹和由平缓的给定状态所构成的轨迹供应给基于平缓性的预控制部,该预控制部由此产生用于所述促动器的调节参数轨迹,其中,在所述轨迹规划部中,为了产生由有限的输入值所构成的轨迹,根据由平缓的给定状态所构成的轨迹来应用至少一个约束项。有利的设计是后续说明的主题。
本发明针对任意阶的非线性单变量系统,介绍了一种在考虑到调节参数和状态参数约束的情况下用于实时轨迹规划的通用方案。本发明的核心是一种扩展的低通滤波器算法,其能实现实时地规划轨迹,并且特别是考虑到单变量系统的非线性的(平缓的)动态性,以及考虑到平缓状态的调节参数约束项和(多项的)约束,而无需数字的实时优化。相比于通常的状态变量滤波器,主要的变化在于,滤波器算法在结构上扩展了对滤波器积分链的输入的动态限制,以便考虑到调节参数和状态参数约束。在此,对各个动态限制的表述、参数设定和优先级赋予了特殊的重要性。
原则上,本发明可以通用地用于任意的轨迹规划问题,其中,调控对象(Regelstrecke)可以建模成非线性的(输入仿射的)单变量系统,其带有调节(速度)参数和状态参数约束。所介绍的方案特别适宜于具有比如在阀上出现的机械冲击的液压系统。例如,本发明可以用于对采用斜轴式或枢转盘式构造方式的任意的轴向活塞机予以枢转角度调节,并进行EP调节。在此,电子比例地对轴或盘进行角度调节(EP调节),其中,借助于比例方向阀的操控电流来预先给定角度。一种应用范例是应用于如下车辆,所述车辆通过轴向活塞机部分地或者完全地进行液压功率传递。
本发明允许通过相应的预控制尽快地使得这种液压系统转移至(实时地)预先给定的工作点。同时,在每个时间点(特别是在暂态中)遵守液压系统的约束。特别地,除了调节参数约束项(例如对于操控电流的约束)外,在操控轨迹的计算中还系统性地考虑系统状态(例如阀滑块和活塞的位置)的约束。这具有如下优点:即,可以计算可实现的轨迹,该轨迹位于例如最大可能的调节速度的约束附近(或上)。此外,可以通过状态约束来系统性地形成并遵守安全界限。另一明显的优点是,可以影响以多大的硬度或软度将轨迹规划到状态约束中。于是可以例如避免硬性冲击,这可以根据应用明显地减小(例如阀的)构件磨损。此外有利的是,受限的轨迹(在预控制足够精确的情况下)对当前的系统状态提供了实际资讯。该信息可以例如应用于上级的诊断功能,只要确保轴向活塞机无故障地工作。在这种情况下,所采用的预控制方案的实时-计算耗费很小,并且特别是无需数字的实时优化。
根据本发明的计算单元、例如阀的控制器尤其采用编程技术被设计用于执行根据本发明的方法。以计算机程序的形式实施该方法也是有利的,因为这引起特别小的成本,特别是如果实施的控制器还用于其它任务,并且因此本来就存在。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器,比如硬盘、闪存、EEPROM、DVD以及其他等等。也可以通过计算机网络(因特网、内联网等)下载程序。
本发明的其它优点和设计可由说明书和附图得到。
不言而喻,上述的和下面还要介绍的特征不仅可按分别给出的组合使用,而且可按其它组合使用,或者单独地使用,而不偏离于本发明的范畴。
附图说明
本发明借助于实施例在附图中示意性地示出,并将在下面参照附图予以详述。
图1示意性地示出了可用来执行根据本发明的方法的轴向活塞机的调节机制;
图2结合以用于实时地控制液压系统的扩展的轨迹规划,以控制轴向活塞机的活塞位置为例,示出基于平缓性的预控制部的原理结构;
图3示出待控制的参数y、内部的受限的系统状态x以及调节参数u的不同的轨迹的定性的对比。
具体实施方式
本发明介绍一种在考虑到任意阶的非线性单参数系统的调节参数和状态参数约束的情况下用于实时-轨迹规划的通用方案。该新方案尤其适合于液压系统,并将示范性地用于控制比如根据DE102015224650A1的斜盘式-轴向活塞机(AKM)。
图1中示意性地示出了例如采用斜盘式或斜轴式构造方式的轴向活塞机100的调节机构130。轴向活塞机的枢转角度可借助于调节机构130予以设定,其中,通过对枢转角度的设定,可以设定输送容积或抽吸容积。轴向活塞机100既可以作为马达工作,又可以作为泵工作,其具有转速nM和转矩MM。轴向活塞机与高压侧pHi和低压侧pLo连接,并且受到压力差Δp。
枢转角度可以借助于调节机构130予以调节。调节机构130在此包括调节缸131,该调节缸以其活塞133例如作用在轴向活塞机100的枢转摇架(Schwenkwiege)101上。活塞的位置用xK表示。该活塞受到压力差Δpx=|pr-px|,该压力差可借助于电比例阀132设定。调节缸131中的活塞133的位置xK表示系统的输出参数。
调节机构130还包括电比例阀132,其带有线圈或电磁体和复位弹簧134,该电磁体被供应以电流iMag,复位弹簧用于改变阀滑块位置xV。耦联弹簧135对阀滑块位置产生活塞位置的反作用。
针对轴向活塞机,已设计出与采用机械调控回路的EP-调节相叠加的电子的枢转角度调控器,其例如在图2中原则性地示出。由此实现改善调节速度,并且提高对干扰参数、系统的参数波动和EP-特性曲线偏差的鲁棒性。
针对叠加的枢转角度调控,采用了基于模型的双自由度结构的调控器设计。基于平缓性的预控制部220考虑到了EP-调节和底层的机械调控回路。附加的(可选的)误差调控器(未示出)补偿干扰和参数不确定性。
AKM的主要动态性是可通过操控电流I=iMag控制的活塞位置xk,该活塞位置可以通过带有平缓状态的非线性模型来简化,按照下式来描述:
cF表示复位弹簧的弹簧刚度,I0把弹簧预应力换算成调节行程,I01把耦联弹簧的弹预应力换算成调节行程。
在此,阀的打开面积Av(|xv|)的系统动态性(1b)与阀挺杆位置|xv|大小及其时间变化率有关,它们就像最终作用于阀上的流动力Fjet一样,例如可以通过非线性的函数关系或者特性曲线族施加。
特别地,可以通过阀的打开面积Av[单位为mm2]和活塞位置xK[单位为mm]来形成特性曲线族,其中,该关系可以例如测出或者通过打开造型算得。
流动力Fjet可以例如通过方程来算得,其具有孔口系数αV、矫正因子kjet和流入角度φjet(由构造方式决定)。
此外,除了常数αconst、βconst和θconst外,耦联弹簧和复位弹簧以及阀上的压力差Δpx具有直接影响(1b)。
cF1表示耦联弹簧的弹簧刚度,AkA表示调节缸中的压力作用的活塞面积,ρx表示油密度,并且dv表示阻尼或者粘性摩擦系数。
在系统理论上准确地来说,枢转角度是实际输出y,并且活塞位置xk是平缓的输出z。但枢转角度非常近似于活塞位置。由于实际输出y=z=z1=xk由此等于平缓的输出z,所以在模型中不存在零动态性。但可行的是,当存在稳定的零动态性时也采用本发明。在这种情况下,为了把参考变量由y重新调整为z,必须求解稳定的微分方程。
简化的模型(1)的调节参数u表示阀中的磁力Fmag,该磁力例如可以借助于函数来表示,或者通过特性曲线族根据实际调节参数、操控电流I或操控电压U来表示。
阀滑块的位置xv可以例如根据平缓的状态z,通过求解如下非线性方程来计算:
AKM的动态预控制可以例如直接由(1b)的倒置(Inversion)予以表示。对于实现该预控制所需要的轨迹可以借助于状态变量滤波器(ZVF)或轨迹规划器210来产生,其可以例如实施为n阶的延迟环节。ZVF的动态性可以例如通过滤波器时间常数来预先给定。对于后续的观察,以标准调控模式(Reglungsnormalform)来考察ZVF。为了能够通过操控AKM来遵守约束,在规划的轨迹中必须考虑到这些约束。为此,在结构上对ZVF(标准调控模式)予以扩展。确切地说,动态地限制滤波器积分链215的输入(参见图2)。为此,针对每个约束项都实施约束项特性曲线环节211、213、214。级联的约束项特性曲线环节的顺序在此决定了各个约束项的优先级。
积分链215具有n个积分器,以便由有限次(n次)的求导(n是系统阶数),通过n重累积得到平缓的输出z*(也见9a)。这是平缓输出(或其时间导数)的给定值,其特别是需要用来实现平缓的预控制(8)。
通常,调节参数约束项的优先级最高(也就是说,对应的约束项特性曲线环节214放在最后位置),以便通过致动器来保证可实现预控信号。
各个约束项特性曲线环节的限制将在下面示范性地针对AKM的示例予以表述,且可以普遍地用于任意的(液压的)带有约束项的系统。
为了考虑(214)操控电流Imin≤I≤Imax的约束项,首先把这些约束项表达成磁力的约束项Fmag,min(Imin)≤Fmag≤Fmag,max(Imax)。为了把调节参数u=Fmag规划到饱和中,按照系统动态性(1b)来规划轨迹,该系统动态性利用调节参数的极限值而激励。这导致如下的动态限制:
对活塞位置的几何约束项Xk,min≤Xk≤Xk,max,即与促动器的调节范围有关的约束项,可以直接通过参考量的约束项,按照
作为状态约束项加入到轨迹规划中(211)。
阀滑块的位置约束项Xv,min≤Xv≤Xv,max在轨迹规划中作为状态约束予以考虑(213),从而把xv的轨迹规划到饱和中。为此,将动态限制设计成用于的调控定律,以便保证遵守约束项:
(随时间变化的)给定值Z2,θ,ref在此借助于非线性的方程(2)和相应的状态约束项得到。通过调教(Tuning)参数rθ,xv,min或/>可以影响在冲击中以多大的硬度或软度规划轨迹。该参数可特定于应用地根据约束的方式以及可用的调节参数储备予以设定。
有限的操控的定性的曲线和受控的液压系统(AKM)的与此相关的特性相比于其在不受约束的操控情况下的特性在图3中示出,该图针对待控制的参数y、内部有限的系统状态x以及调节参数u,分别关于时间t地示出了各种不同的轨迹的定性对比。如果受限的(液压)系统基于不受限的参考轨迹300并非依据本发明,则测量在该系统上的曲线301。由于未考虑到约束项,该系统不能准确地跟随参考轨迹。相比于此,通过本发明(最佳地)受限的操控轨迹302(其可以由系统来实现)明显更接近于受控参数y的参考值300。
对非线性的输入仿射的单变量系统的有限的轨迹规划问题的可转用性
下面考察非线性的最小相的输入仿射的单变量系统:
状态调节参数/>以及系统输出/>假定,对于系统(6),存在平缓的输出z(t)=ρ(x)和微分同胚映射(Diffeomorphismus)
从而可以通过(6)的模型倒置来设计基于平缓性的预控制:
在此,规定了Lie-导数。
为了规划用于预控制的能够连续-微分的给定轨迹,采用了状态变量滤波器:
其动态性例如利用
借助于滤波器时间常数T来设定。
当存在(稳定的)零动态性时,必须通过求解如下微分方程
把用于输出y的参考值重新规划到用于平缓的输出z的参考值。
在用于基于平缓性的预控制的轨迹规划中,原则上可以考虑平缓状态
的多项的约束项、调节参数约束项
以及调节速度约束项
调节速度可以利用促动器模型,例如通过具有促动器时间常数TAct
来描述。为了在规划中考虑各约束项,动态地约束滤波器积分链(9a)的输入(也参见图2中的(212、213、214))。
为此,针对每一种约束项(例如调节速度约束项、调节参数约束项、具有相对度数r的状态约束项),实施约束项特性曲线环节,其串联的顺序决定了优先级。约束项特性曲线环节放置得越靠近积分链输入端,其优先级就越高。
这些约束项的各个动态限制可以如上面以轴向活塞机为例所述那样设计。具体地,针对调节参数约束项,有如下限制:
并且针对调节速度约束项,有如下限制:
在此,限制(16)并非单独借助于线路模型(6)来设计,而是还借助于扩展了促动器模型(14)的线路模型(6)来设计。对于状态约束项,可以设计如下动态限制:
为了遵守k阶状态约束项(11),设计用于稳定平缓状态zi(i=ξk...n)的调控器:
rk=[0,...,0,rkk),...,rk(n)]T. (18)。
在此,ξk恰好是该状态zi的下标i,该状态在第k个约束项中出现,并且具有最小的相对度数。
ξ可以根据
s.t.ri=n+1-i,fz,k(i)≠0,i≤i≤n,
来计算。
此外,根据多项的状态约束项(11),得到如下参数:
为此设计相应的限制。
最后,符号sign(fz,kk))∈{-1,1}决定了是否考虑关于上面的或下面的限制(17)的第k个状态约束项。
对于详细的描述,参见:Joos,S.;Bitzer,M.;Karrelmeyer,R.;Graichen,K.:Prioritizationbased switched feedback control for linear SISO systems withtime-varying state and input constraints.Proc.European Control Conference,p.2935-2940,2018。
本发明能实现规划可实现的、位于约束项附近(或上)的轨迹。与本发明相容的约束项是调节参数和调节速度约束项以及状态约束项,这些约束项可以(至少近似地)表达成平缓状态的多项的约束项。本发明通过连续的滤波器设计而能够实时,并且无需数字的优化耗费。采用本发明能够通过状态约束而系统地形成并遵守安全界限。本发明允许影响以多大的硬度或软度将轨迹规划到状态约束项中。于是可以例如避免硬性冲击,这可以根据应用明显地减小(例如阀的)构件磨损。通过本发明规划的轨迹(在预控制足够精确的情况下)对当前的系统状态给出了实际资讯,只要确保受控制的系统无故障地工作。该信息可以例如应用于(上级的)诊断功能。

Claims (11)

1.一种用于产生促动器(230)用的调节参数轨迹(u*(t))的方法,以用来影响系统的输出参数(y(t)),
其中,把系统的输出参数的给定值(yref(t))供应给轨迹规划部(210),该轨迹规划部由所述给定值(yref(t))产生由滤波器积分链(215)用的有限的输入值()所构成的轨迹,并产生由平缓的给定状态(z*(t))所构成的轨迹,
其中,把由有限的输入值(γ* Lim(t))所构成的轨迹和由平缓的给定状态(z*(t))所构成的轨迹供应给基于平缓性的预控制部(220),该预控制部由此产生用于所述促动器(230)的调节参数轨迹(u*(t)),
其中,在所述轨迹规划部(210)中,为了产生由有限的输入值(γ* Lim(t))所构成的轨迹,根据由平缓的给定状态(z*(t))所构成的轨迹来应用至少一个约束项(213、214)。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述至少一个约束项(213、214)包括调节参数约束项(214)。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,所述至少一个约束项(213、214)包括与所述促动器的调节范围有关的约束项(213)。
4.如权利要求1或2所述的方法,其中,首先把输出参数约束项(211)应用到所述给定值(yref(t))上。
5.如权利要求1或2所述的方法,其中,所述系统是带有能够移动的活塞的液压调节缸,并且所述输出参数是活塞位置。
6.如权利要求1或2所述的方法,其中,所述促动器是能够电操控的阀。
7.如权利要求6所述的方法,其中,所述至少一个约束项(213、214)包括调节参数约束项(214),其中所述调节参数约束项(214)是将磁力或操控电流约束到最小值与最大值之间的值的约束项。
8.如权利要求6所述的方法,其中,所述至少一个约束项(213、214)包括与所述促动器的调节范围有关的约束项(213),其中,与所述促动器的调节范围有关的约束项(213)包括阀滑块位置的约束项。
9.如权利要求7所述的方法,其中,所述至少一个约束项(213、214)包括与所述促动器的调节范围有关的约束项(213),其中,与所述促动器的调节范围有关的约束项(213)包括阀滑块位置的约束项。
10.一种计算单元,其被设计用于执行根据权利要求1至9中任一项的方法。
11.一种能够机读的存储介质,其带有存储于其上的计算机程序,当该计算机程序在计算单元上实施时,该计算机程序引起该计算单元执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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