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Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Druckregelanordnung zur Regelung des Drucks eines Druckmittels und ein Verfahren zur Druckregelung. Die elektrohydraulische Druckregelanordnung umfasst ein Proportional-Druckventil und eine Regelkreisstruktur. Die Regelkreisstruktur weist einen Steuerpfad auf, durch welchen ausgehend von einem Drucksollwert einem Stelleingang des Proportional-Druckventils eine Stellgröße zugeführt wird. Ein Drucksensor erfasst einen Druckistwert an einem Anschluss des Proportional-Druckventils. Ein Streckenmodell eines Druckventils ordnet dem Drucksollwert einen Druckschätzwert zu und ein Differenzglied ermittelt eine Regelabweichung als Differenz zwischen dem Druckschätzwert und dem Druckistwert.
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Eine derartige Druckregelanordnung ist für ein Proportional-Druckbegrenzungsventil ohne oder mit integrierter Elektronik aus der Firmendruckschrift Rexroth, Boschgroup RD 29162, vom August 2007 bekannt. In dieser Firmendruckschrift werden auch unterschiedliche Kennlinien zwischen dem Druck im Anschlussbereich P und dem Volumenstrom in l/min für unterschiedliche Druckstufen veröffentlicht, wobei die Kennlinien deutlich machen, dass bei einem realen Proportional-Druckventil der Druck im Anschluss P vom Volumenstrom durch das Druckventil abhängig ist. Bei einem idealisierten Streckenmodell ist dagegen der Druck im Anschluss P unabhängig vom Volumenstrom durch das Ventil, das bedeutet, dass die Kennlinie im Gegensatz zu den realen Proportional-Druckventilen im Idealfall horizontal verläuft.
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Darüber hinaus ist aus einer Diplomarbeit des Lehrstuhls für Regelungstechnik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg eine Identifikation von Parametern eines Druckregelventils mit algebraischen Methoden von Daniel Kotzian, 2007, bekannt, dass Soll-Druckkennlinien eines realen Proportional-Druckventils trotz eines Dithers nachteilig eine Druckhysterese aufweisen, die für den Betrieb von Proportional-Druckventilen unerwünscht ist, so dass ein Zusatzregler vorzusehen ist, der den Solldruck bei unterschiedlichen Volumenströmen aufrecht erhalten soll. Jedoch besteht bei großen Regelabweichungen die Gefahr von eventuellen Störungen oder Schwingungsanregungen, insbesondere wenn bei dem bekannten zusätzlich geregelten Druckbegrenzungsventil der tatsächlich erreichte Druck in Abhängigkeit von der zu liefernden oder abzuführenden Fluidmenge stark von der idealen horizontalen P-Q-Kennlinie abweicht. Diese Abweichung ist der Hydromechanik im Ventil geschuldet und kann im Extremfall zu einem Anregen und Aufschaukeln von Schwingungen in der Druckregelanordnung führen.
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Derartige bekannte Reglerstrukturen lassen sich eigentlich nur auf das Kleinsignalverhalten optimieren, weswegen sich bei großen Sollwertamplituden oft ein unvorteilhaftes Regelkreisverhalten einstellt. Diesem unvorteilhaften Regelkreisverhalten wird meistens mit einer geringer eingestellten Regelkreisdynamik begegnet. Eine weitere Möglichkeit ist die Ausblendung großer Regelabweichungen für den Regler durch eine entsprechend begrenzte Durchlassbreite. Problematisch ist dabei jedoch, dass für eine sichere Funktion des Regelkreises im kompletten Arbeitsbereich die Durchlassbreite sehr groß zu wählen ist, wodurch die eigentlich positive Wirkung einer derartigen Durchlassbreite wieder abgeschwächt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Druckregelanordnung mit verbessertem Regelkreisverhalten für Proportional-Druckventile und ein Verfahren zur Druckregelung mit der elektrohydraulischen Druckregelanordnung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrohydraulische Druckregelanordnung zur Regelung des Drucks eines Druckmittels und ein Verfahren zur Druckregelung geschaffen. Die elektrohydraulische Druckregelanordnung umfasst ein Proportional-Druckventil und eine Regelkreisstruktur. Die Regelkreisstruktur weist einen Steuerpfad auf, durch welchen, ausgehend von einem Drucksollwert, einem Stelleingang des Proportional-Druckventils eine Stellgröße zugeführt wird. Ein Drucksensor erfasst einen Druckistwert an einem Anschluss des Proportional-Druckventils. Ein Streckenmodell eines Druckventils ordnet dem Drucksollwert einen Druckschätzwert zu und ein Differenzglied ermittelt eine Regelabweichung als Differenz zwischen dem Druckschätzwert und dem Druckistwert. Ein Gewichtungsglied unterwirft die Regelabweichung einer Gewichtung und ermittelt somit eine gewichtete Regelabweichung. Ein Regler modifiziert im Betrieb anhand der gewichteten Regelabweichung und modifiziert ein Signal auf dem Steuerpfad im Sinne einer Minimierung der gewichteten Regelabweichung. Das Gewichtungsglied ist so eingerichtet, dass größere Regelabweichungen stärker abgeschwächt werden als kleinere Regelabweichungen.
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Diese elektrohydraulische Druckregelanordnung hat den Vorteil, dass der Regler über einen Rückkopplungszweig die Regelabweichungen ausgleicht und die Regelabweichungen bei der Rückkopplung mittels einer Gewichtungsfunktion gewichtet werden. Dabei ist die Durchlassbreite der Gewichtungsfunktion wahlweise fest einstellbar oder automatisch volumenstromabhängig und über eine Volumenstromschätzung des momentanen Ventildurchflusses aus einem aktuellen Reglerausgangssignal und einem Druckistwert nachführbar. Mit der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Druckregelanordnung und dem Verfahren zur Druckregelung wird eine Verbesserung des Regelkreisverhaltens vor allem im Großsignalbereich bei Druckventilen mit Druckregelung erreicht. Durch eine Differenzbildung zwischen einem Druckschätzwert und einem Druckistwert sowie der Gewichtung über ein implementiertes Kennfeld bzw. eine approximierende Funktion als Steuergröße für die erforderliche Durchlassbreite wird eine vorteilhafte Lösung geschaffen, mit der z. B. Nachschwingungen vor allem im Großsignalbereich vermieden werden. Dazu wird in der Anpassung der Durchlassbreite sichergestellt, dass die Regelkreisfunktion bei stets möglichst minimaler Durchlassbreite durchgeführt wird, sodass sich die gewünschte Verbesserung des Regelkreisverhaltens einstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Volumenstromabschätzung als Kennfeld oder von einer das Kennfeld approximierenden Funktion realisiert. Eine derartige Funktion kann beispielsweise für den Volumenschätzwert QS durch die nachfolgende Gleichung darstellbar sein: QS(UR, PA) = a·UR + b·PA + c, wobei a, b und c Koeffizienten in Bezug auf das Reglerausgangssignal UR, den Druckistwert PA sowie in Bezug auf den Volumenschätzwert QS sein können. Dabei ist diese Funktion beziehungsweise auch das Kennfeld an das jeweilige Proportional-Druckventil angepasst.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in der Druckregelanordnung ein ”Anti-Windup” Block vorgesehen, der ein Begrenzen eines gegebenenfalls vorhandenen I-Anteils des Reglers bei einem Ansprechen von Stellsignalbegrenzungen vorsieht. Dazu weist der ”Anti-Windup” Block einen Begrenzer und ein über einen Kopplungspunkt nachgeschaltetes Proportionalglied auf, dessen Ausgangssignal über ein weiteres Differenzglied mit dem PI-Reglereingang in Verbindung steht. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung wird wirksam ein ”Weglaufen” des I-Anteils des Reglers mittels Stellsignalbegrenzungen unterbunden.
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Ein Verfahren zur Druckregelung in einer elektrohydraulischen Druckregelanordnung, die ein Proportional-Druckventil aufweist, das auf eine Solldruckvorgabe reagiert, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
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Zunächst wird eine Stellgröße UR über einen Steuerpfad einem Stelleingang des Proportional-Druckventils ausgehend von einem Drucksollwert UPsoll zugeführt. Ein Druckistwert wird an einem Anschluss des Proportional-Druckventils mittels eines Drucksensors erfasst. Es erfolgt weiterhin ein Zuordnen des Drucksollwertes einem Druckschätzwert mittels eines Streckenmodells des Druckventils.
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Dann wird eine Regelabweichung als Differenz zwischen dem Druckschätzwert und dem Druckistwert mittels eines Differenzglieds ermittelt und die Regelabweichung einer Gewichtung zur Bildung einer gewichteten Regelabweichung unterworfen. Ferner wird mittels eines Reglers ein Minimieren der gewichteten Regelabweichung durch Modifizieren eines Signals auf dem Steuerpfad mittels eines Reglers durchgeführt, wobei ein Gewichtungsglied so eingerichtet wird, dass größere Regelabweichungen stärker abgeschwächt werden als kleinere Regelabweichungen.
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Zur Abschätzung eines Volumensollstroms kann ein Kennfeld oder eine das Kennlinienfeld approximierende Funktion gespeichert werden. Ein Begrenzen eines gegebenenfalls vorhandenen I-Anteils eines Reglers kann bei einem Ansprechen von Stellsignalbegrenzungen durch einen ”Anti-Windup” Block in der Druckregelanordnung erfolgen. Auch ist es möglich, dass in dem ”Anti-Windup” Block einem Begrenzer ein Proportionalglied über einen Kopplungspunkt nachgeschaltet wird, dessen Ausgangssignal über ein weiteres Differenzglied einem Reglereingang zugeführt wird.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Druckregelstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt ein schematisches Diagramm der Abhängigkeit der Druckdifferenz ΔpAB = pA – pB bei einem ein Druckventil durchströmenden Volumenstrom Q;
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3 zeigt schematische Diagramme beispielhafter Gewichtungsfunktionen f(d) und zugehöriger resultierender gewichteter Regelabweichungen dW = f(d)·d.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer elektrohydraulischen Druckregelanordnung zur Regelung des Drucks eines Druckmittels mit einem Proportional-Druckventil 3 und einer Regelkreisstruktur 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei steht am Eingang 18 der Regelkreisstruktur 1 eine Solldruckvorgabe in Form einer Solldruckspannung UPsoll. Einem Stelleingang 19 des Proportional-Druckventils 3 wird durch einen Steuerpfad ausgehend von dem Drucksollwert UPsoll eine Stellgröße UR zugeführt. Mit der Solldruckspannung UPsoll wird außerdem ein Streckenmodell 4 beaufschlagt, das den gewünschten Zusammenhang zwischen Solldruckspannung UPsoll und dem Druck pA widerspiegelt. Das Streckenmodell 4 berechnet aus der Solldruckspannung UPsoll den erwarteten Druck pM eines idealen Druckventils, der nicht von dem Volumenstrom Q des Druckventils abhängt. Von diesem idealen Streckenmodell 4 weicht jedoch das Verhalten eines realen gesteuerten Druckventils 3, das in 1 gezeigt wird, ab, wobei die Regelabweichung ”d” z. B. mit Hilfe eines PI-Reglers minimierbar ist.
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Bei Proportional-Druckventilen weicht der tatsächlich erreichte Druck in Abhängigkeit von der zu liefernden oder abzuführenden Fluidmenge stark von einer idealen horizontalen P-Q-Kennlinie ab. Ein Differenzglied 5 erfasst die Druckdifferenz zwischen Druckschätzwert pM und Druckistwert pA und liefert eine Regelabweichung d an einen Multiplikator zur Wichtung der Regelabweichung d mit einer Gewichtungsfunktion 7, mit der die Regelabweichung d zu einer gewichteten Regelabweichung dW multipliziert bzw. verrechnet wird.
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Diese Gewichtungsfunktion 7 in dem Multiplikator 6 weist eine Durchlassbreite auf, die wiederum durch eine Volumenstromschätzung 9 mit Hilfe beispielsweise eines Kennfeldes 10 eingestellt wird, so dass die volumenstromabhängige Breite derart schmal gewählt wird, dass große Signaländerungen und die damit verbundene Gefahr einer Schwingungsanregung ausgeblendet bzw. unterdrückt werden.
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Eine derart gewichtete Regelabweichung dW wird einem Regler 8 zugeführt, der die Solldruckspannung UPsoll entsprechend modifiziert. Gleichzeitig wird der Regler 8 vor einem ”Weglaufen” des gegebenenfalls vorhandenen Regler-I-Anteils beim Ansprechen von Stellsignalbegrenzungen durch einen ”Anti-Windup” Block 11 geschützt, der sich aus einem Proportionalglied 14 und einem Begrenzer 12, sowie einem dazwischen angeordneten Kopplungspunkt 13 zusammensetzt, wobei die gewichtete Regelabweichung über einen weiteren Kopplungspunkt 15 dem Regler 8 zugeführt wird. Das derart geschützte Regelausgangssignal UR wird einer Stromendstufe 20 zugeführt.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm der Abhängigkeit der zwischen den Anschlüssen A und B eines in 4 gezeigten steuerbaren Druckbegrenzungsventils 3 anliegenden Druckdifferenz ΔpAB = pA – pB von dem das Ventil durchströmenden Volumenstrom Q. Diese Abhängigkeit wird am Beispiel einer bei einem Volumenstrom Q von zunächst 0,8 l/min auf 100 bar eingestellten Druckdifferenz ΔpAB demonstriert. Ausgehend von diesem Einstellpunkt Q = 0,8 l/min ergibt sich im Gleichdruckverhalten mit in Pfeilrichtung a zunehmendem oder in Pfeilrichtung b abnehmendem Volumenstrom eine beträchtlich größer werdende Regelabweichung, die der Regler auszuregeln hat. Das bedeutet, eine Gewichtungsfunktion muss zu der oben genannten Bedingung so gestaltet sein, dass mindestens die jeweilige Regelabweichung durchgelassen wird. Ausgehend von einem gewählten Einstellpunkt muss damit die Durchlassbreite mit zunehmendem Abstand größer werden.
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3 zeigt mit den 3A und 3B schematische Diagramme beispielhafter Gewichtungsfunktionen f(d) und zugehöriger resultierender gewichteter Regelabweichungen dW = f(d)·d. 3A zeigt Beispiele möglicher Gewichtungsfunktionen f(d). Geeignete Gewichtungsfunktionen f(d) sind prinzipiell durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
f(d) = 0,
f(d) nimmt für d = 0 einen Maximalwert an, und
für ”große” d liegt der Wert von f(d) stets unterhalb des Maximalwertes.
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Allerdings sollten Unstetigkeitsstellen in der Gewichtungsfunktion vermieden werden, da Unstetigkeiten bei einem Ansprechen der Wichtung zu unnötigen Schwingungsanregungen des Regelkreises führen können. Deshalb ist die Verwendung von Gewichtungsfunktionen, die so gewählt sind, wie in den Beispielen der 3A gezeigt, dass die gewichtete Regelabweichung dW = f(d)·d und möglichst für viele ihrer Ableitungen keine durch f(d) bedingten Unstetigkeiten aufweist, besonders vorteilhaft. Die in 3A gezeigten schematischen Verläufe sind mit f(d) = e-(d/D)n definiert, wobei n in dieser Ausführungsform 4 und D die Durchlassbreite vorzugsweise zwischen 5 = D = 80 liegt und bei der dargestellten Gewichtungskurve a ist D = 10 und bei der Gewichtungskurve b ist D = 20.
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Die 3B zeigt mit den Kurven a und b die zu den in 3A gezeigten Gewichtungsfunktionen f(d) gehörenden Zuordnungen der gewichteten Regelabweichungen d bei entsprechenden Regelabweichungen d.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrohydraulische Regelkreisstruktur
- 3
- Proportional-Druckventil
- 4
- Streckenmodell
- 5
- Differenzglied
- 6
- Multiplikator
- 7
- Gewichtungsfunktion
- 8
- Regler
- 9
- Schätzglied bzw. Volumenstromschätzung
- 10
- Kennfeld
- 11
- Anti-Windup Block
- 12
- Begrenzer
- 13
- Kupplungspunkt
- 14
- Proportionalglied
- 15
- Kopplungspunkt
- 16
- Reglereingang
- 18
- Eingang der Druckregelanordnung
- 19
- Stelleingang
- 20
- Stromendstufe
- D
- Durchlassbreite
- d
- Regelabweichung
- dW
- gewichtete Regelabweichung
- pA
- Druckistwert
- pB
- Rücklaufdruck
- ΔpAB = pA – pB
- Druckdifferenz
- pM
- Druckschätzwert gemäß Streckenmodel
- Q
- Volumenstrom
- QS
- Volumenstrom
- UPsoll
- Solldruckspannung
- UR
- Reglerausgangssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Firmendruckschrift Rexroth, Boschgroup RD 29162, vom August 2007 [0002]
