DE102004059753B4

DE102004059753B4 - Druckregeleinrichtung

Info

Publication number: DE102004059753B4
Application number: DE102004059753A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Warbinek; Reinhard Schwenzer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2004-12-11
Filing date: 2004-12-11
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2024-12-12
Also published as: DE102004059753A1

Abstract

Es wird eine Druckregeleinrichtung zur Regelung des Drucks in einer fluidischen Vorrichtung (10) vorgeschlagen, die über eine Regelventilanordnung (11) mit einer Druckquelle (12) verbindbar ist. Ein auf die Regelventilanordnung (11) einwirkender elektronischer Regler (16) ist als PI-Regler mit einem Proportionalglied (17) und einem Integralglied (21) ausgebildet. Eine Istdruckdifferenziereinrichtung (24) mit nachgeschalteter Schwellwertstufe (27) dient zur Deaktivierung oder Rücksetzung des Integralglieds (21) ab vorgebbaren Druckänderungesschwellwerten. Alternativ oder zusätzlich sind Signalbegrenzungsmittel (22, 23) zur Begrenzung der Amplituden der Ein- oder Ausgangssignale des Integralglieds (21) auf vorgebbare Werte vorgesehen. Die erfindungsgemäße Druckregeleinrichtung unterdrückt wirksam das Überschwingen über den Drucksollwert und besitzt eine sehr gute Wiederholgenauigkeit, Stabilität und Dynamik auch bei variablem Arbeitsvolumen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckregeleinrichtung zur Regelung des Drucks in einer fluidischen Vorrichtung, die über eine Regelventilanordnung mit einer Druckquelle verbindbar ist, mit einem auf die Regelventilanordnung einwirkenden
elektronischen Regler, der als PI-Regler mit einem Proportionalglied und einem Integralglied ausgebildet ist.
In bekannter Weise werden elektronische Druckregelungen meist mit einfachen PI- oder PID-Reglern realisiert, die mehr oder weniger mit Zusatzschaltungen zur Realisierung von Zusatzfunktionen oder Sonderfunktionen versehen sind. Problematisch an den bekannten Druckreglern sind meist eine unzureichende Dynamik und ein Überschwingen über das eingestellte Druckniveau bei schnellen Sollwert- bzw. Laständerungen. Dabei stellt eine zu geringe Regelgenauigkeit und/oder Robustheit bzw. Stabilität ein häufiges Problem dar, insbesondere bei variablen Einsatzbedingungen.

Aus der DE 41 02 087 A1 ist eine Druckregeleinrichtung der vorstehend genannten Gattung bekannt, bei der zur Vermeidung eines Überschwingens des Druckes bei der Regelung eine Istdruckdifferenziereinrichtung vorgesehen ist, die ein der Druckanstiegsgeschwindigkeit proportionales Signal erzeugt. Überschreitet dieses Signal einen einstellbaren Wert, so wird der Ausgang des Integralglieds begrenzt. Diese Maßnahme allein hat sich jedoch als ungenügend zur Erzielung einer wün schenswerten Wiederholgenauigkeit, Stabilität und Dynamik der Regelung erwiesen.

Auch aus der DE 101 60 311 A1 und der DE 101 01 678 A1 sind Signalbegrenzungsmittel zur Begrenzung des Ausgangssignals eines Integralgliedes bekannt, bei der erstgenannten Druckschrift zur Regelung einer Kraftstoffpumpe und bei der zweitgenannten Druckschrift zur Regelung des Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine. Auch hier treten die bereits genannten Nachteile auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Druckregeleinrichtung der eingangs genannten Gattung hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit, Stabilität und Dynamik auch bei variablem Arbeitsvolumen zu erhöhen und Überschwingungen bei schnellen Druckänderungen zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Istdruckdifferenziereinrichtung mit Schwellwertstufe zur Inaktivierung oder Rücksetzung des Integralglieds ab vorgebbaren Druckänderungsschwellwerten vorgesehen ist und dass Signalbegrenzungsmittel zur Begrenzung der Amplituden der Ein- oder Ausgangssignale des Integralglieds auf vorgebbare Werte vorgesehen sind.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Druckregeleinrichtung bestehen insbesondere in einer sehr guten Wiederholgenauigkeit, Stabilität und Dynamik auch bei variablem Arbeitsvolumen, zum Beispiel bei der Betätigung von Antriebszylindern oder dergleichen. Das Überschwingen über den Drucksollwert bei schnellen Druckänderungen wird nahezu vollständig unterdrückt. Es wird eine robuste Arbeitsweise in einem großen Betriebsbereich ohne spezielle Anpassungsmaßnahmen erreicht, wobei sowohl eine analoge Ausführung als auch eine digitale Ausführung der Reglerschaltung einfach und kostengünstig realisiert werden kann. Diese Vorteile werden in besonderem Maße durch die Kombination der Istdruckdifferenziereinrichtung mit den Signalbegrenzungsmitteln erreicht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Druckregeleinrichtung möglich.

Die Istdruckdifferenziereinrichtung besteht zweckmäßigerweise aus einer Differenzierstufe mit nachgeschaltetem Filter.

In einer bevorzugten Ausführung ist die mit dem Ausgangssignal der Istdruckdifferenziereinrichtung beaufschlagte Schwellwertstufe ausgangsseitig mit einem Rücksetz- oder Deaktivierungseingang des Integralglieds verbunden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist dem Integralglied eingangsseitig eine Amplitudenbegrenzungsstufe vorgeschaltet und/oder ausgangsseitig eine Amplitudenbegrenzungsstufe nachgeschaltet. Auch dies trägt hervorragend zur Erhöhung der Reglerstabilität bei.

Eine parallel zum Proportionalglied geschaltete nichtlineare und/oder signalverzögernde Verstärkereinrichtung ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Sollwert- oder Laständerungen. Die Verstärkereinrichtung besteht dabei vorzugsweise aus der Reihenschaltung eines nichtlinearen Verstärkers mit einem Signalverzögerungsglied.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Regelventilanordnung als Proportionalventil ausgebildet, insbesondere als 3/3-oder 3/2-Ventil.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckregeleinrichtung als Blockschaltbild.
Eine fluidische Vorrichtung 10, bei der es sich beispielsweise um einen Arbeitszylinder, einen Linearantrieb oder eine Fluidikkammer handeln kann, ist über eine Regelventilanordnung 11 wahlweise mit einer Druckquelle 12 oder über einen Schalldämpfer 13 mit einer Drucksenke, beispielsweise der Atmosphäre, verbindbar. Die Regelventilanordnung 11 kann beispielsweise ein Regelventil sein, insbesondere ein 3/3- oder ein 3/2-Ventil, je nachdem, ob die fluidische Vorrichtung 10 auch ganz abgesperrt werden soll.
Mittels eines Drucksensors 14 wird der Druck in der fluidischen Vorrichtung 10 gemessen, wobei eine dem Druck entsprechende Spannung den Druckistwert Pi vorgibt, der als Regelgröße einem Vergleicher 15 eines elektronischen Reglers 16 zugeführt wird, wo er mit einem Drucksollwert Ps verglichen wird. Der Differenzwert als Regelabweichung wird im elektronischen Regler 16 drei parallelen Schaltungszweigen zugeführt. Der erste enthält ein Proportionalglied 17 (P-Glied), also ein proportional wirkendes Übertragungsglied. Der zweite enthält eine nichtlineare und signalverzögernde Verstärkereinrichtung 18, die zur nichtlinearen und verzögerten Verstärkungsanpassung aus einem nichtlinearen Verstärkerteil 19 und einem Signalverzögerungsglied 20 besteht. In einer einfacheren Ausführung kann die Verstärkereinrichtung 18 auch entfallen oder nur einen nichtlinearen Verstärker 19 oder nur ein Signalverzögerungsglied 20 aufweisen.
Der dritte Schaltungszweig besteht aus einem Integralglied 21 (I-Glied), also aus einem integrierend wirkenden Übertra gungsglied, dem als Signalbegrenzungsmittel eine Amplitudenbegrenzungsstufe 22 vorgeschaltet und eine Amplitudenbegrenzungsstufe 23 nachgeschaltet ist.
Der Durckistwert Pi wird weiterhin einer Istdruckdifferenziereinrichtung 24 zugeführt, die aus einer Differenzierstufe 25 mit nachgeschaltetem Filter 26 besteht. Dieser Istdruckdifferenziereinrichtung 24 ist eine Schwellwertstufe 27 nachgeschaltet, die ab einem vorgebbaren Eingangssignalpegel ein ausgangsseitiges Rücksetz- oder Deaktivierungssignal R für das Integralglied 21 erzeugt, um dieses rückzusetzen oder zu deaktivieren.
Die drei Schaltungszweige werden über ein Addierglied 28 zusammengeführt, wobei die addierten Signale durch einen Verstärker 29 verstärkt als Stellsignale S zur Betätigung der Regelventilanordnung 11 dieser zugeführt werden.
Durch die Istdruckdifferenziereinrichtung 24 mit nachgeschalteter Schwellwertstufe 27 werden schnelle Druckänderungen erkannt, wobei ab einem bestimmten Betrag derselben das Integralglied 21 rückgesetzt bzw. deaktiviert wird. Dadurch wird ein Überschwingen über den Drucksollwert Ps unterdrückt. Dies wird noch dadurch unterstützt bzw. optimiert, indem die Eingangssignale des Integralglieds 21 durch die vorgeschaltete Amplitudenbegrenzungsstufe 22 begrenzt werden und zusätzlich durch die Begrenzung der Ausgangssignale durch die nachgeschaltete Amplitudenbegrenzungsstufe 23.
Durch die Verstärkereinrichtung 18 mit nichtlinearem Verstärker 19 und Signalverzögerungsglied 20 werden schnelle Reaktionen auf Sollwert- oder Laständerungen erreicht.

Claims

Druckregeleinrichtung zur Regelung des Drucks in einer fluidischen Vorrichtung, die über eine Regelventilanordnung mit einer Druckquelle verbindbar ist, mit einem auf die Regelventilanordnung einwirkenden elektronischen Regler, der als PI-Regler mit einem Proportionalglied und einem Integralglied ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Istdruckdifferenziereinrichtung (24) mit Schwellwertstufe (27) zur Inaktivierung oder Rücksetzung des Integralglieds (21) ab vorgebbaren Druckänderungsschwellwerten vorgesehen ist und dass Signalbegrenzungsmittel (22, 23) zur Begrenzung der Amplituden der Ein- und/oder Ausgangssignale des Integralglieds (21) auf vorgebbare Werte vorgesehen sind.
Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Istdruckdifferenziereinrichtung (24) aus einer Differenzierstufe (25) mit nachgeschaltetem Filter (26) besteht.
Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ausgangssignal der Istdruckdifferenziereinrichtung (24) beaufschlagte Schwellwertstufe (27) ausgangsseitig mit einem Rücksetz- oder Deaktivierungseingang des Integralglieds (21) verbunden ist.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalglied (17) parallel zum Integralglied (21) geschaltet ist.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Integralglied (21) eingangsseitig eine Amplitudenbegrenzungsstufe (22) vorgeschaltet und/oder ausgangsseitig eine Amplitudenbegrenzungsstufe (23) nachgeschaltet ist.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Proportionalglied (17) eine nichtlineare und/oder signalverzögernde Verstärkereinrichtung (18) vorgesehen ist.
Druckregeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (18) aus der Reihenschaltung eines nichtlinearen Verstärkers (19) mit einem Signalverzögerungsglied (20) besteht.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reglerverstärker (29) dem Steuereingang der Regelventilanordnung (11) vorgeschaltet ist.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventilanordnung (11) als Proportionalventil ausgebildet ist.
Druckregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventilanordnung (11) als 3/3- oder 3/2-Ventil ausgebildet ist.