DE102014003084A1 - Digital hydraulic drive system - Google Patents

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Joachim Rudolph
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Hydac Fluidtechnik GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein digitalhydraulisches Antriebssystem, bestehend aus – einem Aktuator, wie einem hydrostatischen Konstantmotor (10) oder einem Arbeitszylinder mit vorzugsweise angeschlossenen hydropneumatischen Dämpfungsspeichern (12) an beiden zuordenbaren Aktuatoranschlüssen (14, 16) sowie – mindestens einer unabhängig betätigbaren Ventileinrichtung (20) für die Ansteuerung der Volumenströme in den Zu- und/oder Abströmanschlüssen (14, 16) des Aktuators, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine flachheitsbasierte Folgeregelung eingesetzt ist, die die Volumenströme als Stellgröße verwendet, und eine unterlagerte Steuerung zum Einsatz kommt, die von der Konfiguration der Ventileinrichtung (20) abhängt.The invention relates to a digital-hydraulic drive system, comprising an actuator, such as a constant-velocity hydrostatic motor (10) or a working cylinder with preferably connected hydro-pneumatic damping accumulators (12) on both assignable actuator connections (14, 16) and - at least one independently operable valve device (20). for controlling the volume flows in the inlet and / or Abströmanschlüssen (14, 16) of the actuator, which is characterized in that a flatness-based follow-up control is used, which uses the volume flows as a manipulated variable, and a subordinate control is used by the configuration of the valve device (20) depends.

Description

Die Erfindung betrifft ein digitalhydraulisches Antriebssystem, bestehend aus

  • – einem Aktuator, wie einem hydrostatischen Konstantmotor oder einem Arbeitszylinder mit vorzugsweise angeschlossenen hydropneumatischen Dämpfungsspeichern an beiden zuordenbaren Aktuatoranschlüssen sowie
  • – mindestens einer unabhängig betätigbaren Ventileinrichtung für die Ansteuerung der Volumenströme in den Zu- und/oder Abströmanschlüssen des Aktuators
The invention relates to a digital hydraulic drive system consisting of
  • - An actuator, such as a constant-flow hydrostatic motor or a working cylinder with preferably connected hydropneumatic damping accumulators on both assignable actuator connections and
  • - At least one independently operable valve device for controlling the flow rates in the inlet and / or Abströmanschlüssen the actuator

Obwohl der breite Einsatz von digitalhydraulischen Systemen in der industriellen Anwendung nach wie vor Gegenstand kontroverser Diskussionen ( Scheidl, R., Linjama, M., and Schmidt, S. Is the future of fluid power digital? In: Proc. IME J. Syst. Contr. Eng., vol. 226, no. 6, pp. 721–723, 2012 ) innerhalb der Fachwelt ist, gibt es bereits einige erfolgreiche Realisierungen solcher Systeme. Deren Umsetzung erfordert jedoch oftmals einen erhöhten Aufwand im Bereich der Steuerung und Regelung. Jüngere Arbeiten auf diesem Gebiet machen Gebrauch von nichtlinearen modellbasierten Regelungsverfahren. Hießl et al. verwendeten einen Gleitregime-Ansatz für die Regelung eines Gleichgangzylinders mit schnell schaltenden 3/2-Wegeventilen ( Hießl, A., Plöckinger, A., Winkler, B., and Scheidl, R. Sliding mode control for digital hydraulic applications. In: Laamanen, A. and Linjama, M. (eds.), Proc. 5th Workshop Digital Fluid Power (DFP12), pp. 15–26. October 2012 ). Die Ventilansteuerung erfolgt mittels PWM-Signalen, ein charakteristisches Merkmal für eine Untergruppe der digitalhydraulischen Systeme ( Linjama, M. Digital fluid power – state of the art. In: Proc. 12th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'11), pp. 331–353. May 2011 ).Although the widespread use of digital hydraulic systems in industrial applications remains the subject of controversial discussions ( Scheidl, R., Linjama, M., and Schmidt, S. Is the future of fluid power digital? In: Proc. IME J. Syst. Contr. Eng., Vol. 226, no. 6, pp. 721-723, 2012 ) within the professional world, there are already some successful implementations of such systems. Their implementation, however, often requires an increased effort in the field of control and regulation. Recent work in this area makes use of non-linear model-based control methods. Hießl et al. used a slip regime approach for the control of a synchronous cylinder with fast switching 3/2-way valves ( Hießl, A., Plöckinger, A., Winkler, B., and Scheidl, R. Sliding mode control for digital hydraulic applications. In: Laamanen, A. and Linjama, M. (eds.), Proc. 5th Workshop Digital Fluid Power (DFP12), pp. 15-26. October 2012 ). Valve control takes place by means of PWM signals, a characteristic feature for a subgroup of digital hydraulic systems ( Linjama, M. Digital fluid power - state of the art. In: Proc. 12th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'11), pp. 331-353. May 2011 ).

Fortgeschrittene Regelungsmethoden finden auch in einer weiteren wichtigen Untergruppe der digitalhydraulischen Systeme Anwendung. Linjama et al. verwendeten einen Optimalregelungsansatz für ein System von digital flow control units (DFCU) in Linjama, M., Huova, M., Boström, P., Laamanen, A., Siivonen, L., Morel, L., Waldén, M., and Vilenius, M. Design and implementation of energy saving digital hydraulic control system. In: Vilenius, J., Koskimies, K. T., and Uusi-Heikkilä, J. (eds.), Proc. 10th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'07), vol. 2, pp. 341–359. 2007 . Eine DFCU ist eine Gruppe von Schaltventilen in Parallelschaltung, die eine quantisierte Einstellung des Volumenstroms durch selektives Schalten der einzelnen Ventile erlaubt. Eine vertiefte Betrachtung dieser Technologie erfolgt in Linjama, M., Laamanen, A., and Vilenius, M. Is it time for digital hydraulics? In: Proc. 8th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'03), pp. 347–366. Tampere University of Technology, 2003 . Der erwähnte Optimalregelungsansatz wurde verwendet für einen Differentialzylinder, der mittels DFCUs basierend auf dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante angesteuert wird.Advanced control methods are also used in another important subgroup of digital hydraulic systems. Linjama et al. used an optimal control approach for a system of digital flow control units (DFCU) in Linjama, M., Huova, M., Boström, P., Laamanen, A., Siivonen, L., Morel, L., Waldén, M., and Vilenius, M. Design and implementation of energy saving digital hydraulic control system In: Vilenius, J., Koskimies, KT, and Uusi-Heikkilä, J. (eds.), Proc. 10th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'07), vol. 2, pp. 341-359. 2007 , A DFCU is a group of switching valves in parallel, which allows a quantized adjustment of the volumetric flow by selectively switching the individual valves. An in-depth look at this technology will be made in Linjama, M., Laamanen, A., and Vilenius, M. Is it time for digital hydraulics? In: Proc. 8th Scandinavian Int. Conf. Fluid Power (SICFP'03), pp. 347-366. Tampere University of Technology, 2003 , The aforementioned optimal control approach was used for a differential cylinder which is driven by DFCUs based on the principle of the resolved control edge.

Das Prinzip der „Aufgelösten Steuerkanten” ist ein Konzept, bei dem die Volumenströme an den Anschlüssen eines hydraulischen Aktuators (wie z. B. ein Zylinder oder Motor) unabhängig voneinander eingestellt werden können. Im Vergleich mit konventionellen servohydraulischen Systemen eröffnen sie ein Potential zur Energieeinsparung durch die Reduktion des Gegendrucks. Ein Überblick über dieses Prinzip wird in Eriksson, B. and Palmberg, J.-O. Individual metering fluid power systems: challenges and opportunities. In: Proc. IME J. Syst. Contr. Eng., vol. 225, no. 2, pp. 196–211, 2011 gegeben.The principle of "resolved control edges" is a concept in which the volumetric flows at the connections of a hydraulic actuator (such as a cylinder or motor) can be adjusted independently of each other. Compared with conventional servo-hydraulic systems, they offer potential for saving energy by reducing the backpressure. An overview of this principle will be found in Eriksson, B. and Palmberg, J.-O. Individual metering fluid power systems: challenges and opportunities. In: Proc. IME J. Syst. Contr. Eng., Vol. 225, no. 2, pp. 196-211, 2011 given.

Was die Qualität der jeweils eingesetzten Regelung anbelangt, lassen die bekannten Lösungen jedoch noch Wünsche offen und häufig ist für eine zeitnahe Regelung von Aktuatorsystemen der rechentechnisch benötigte Aufwand zu hoch.As far as the quality of the respectively used control is concerned, however, the known solutions still leave something to be desired, and frequently the expenditure required for computation is too high for a timely control of actuator systems.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen unter Beibehalten ihrer Vorteile eine funktionssichere Regelung für ein digitalhydraulisches Antriebssystem zu schaffen, dahingehend weiter zu verbessern, dass eine hohe Regelungsqualität erreicht ist bei geringem rechentechnischen Aufwand, so dass auch insoweit die Kosten der angestrebten Regelung reduziert sind.Based on this prior art, the present invention seeks to provide the known solutions while maintaining their advantages a functionally reliable control for a digital hydraulic drive system, to further improve to the effect that a high control quality is achieved with low computational complexity, so that extent the costs of the desired scheme are reduced.

Eine dahingehende Aufgabe löst ein digitalhydraulisches Antriebssystem gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.This object is achieved by a digital hydraulic drive system according to the feature configuration of claim 1 in its entirety.

Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 eine flachheitsbasierte Folgeregelung eingesetzt ist, die die Volumenströme als Stellgröße verwendet, und eine unterlagerte Steuerung zum Einsatz kommt, die von der Konfiguration der Ventileinrichtung abhängt, ist ein Regelungsverfahren geschaffen, das sich insbesondere zur Verwendung unter Einsatz von Schnellschaltventilen (Pulsweitenmodulation) und/oder Parallelventilen (digital flow control unit) eignet.Characterized in that according to the characterizing part of claim 1, a flatness-based sequence control is used, which uses the volume flows as a manipulated variable, and a subordinate control is used, which depends on the configuration of the valve device, a control method is provided which is particularly for use under use of quick-change valves (pulse width modulation) and / or parallel valves (digital flow control unit).

Gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung wird der dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante inhärente zusätzliche Freiheitsgrad dazu verwendet, den Druckabfall am jeweiligen Ventil oder einer Ventilgruppe im Rückstrom zu steuern und damit Kavitation sowie ein Entleeren der Speicher zu verhindern. Weitere Kriterien für die Verwendung dieses zusätzlichen Freiheitsgrads sind bei Bindel et al. ( Bindel, R., Nitsche, R., Rothfuß, R., and Zeitz, M. Flatness based control of a two valve hydraulic joint of a large manipulator (in german). In: at-Automatisierungstechnik, vol. 48, no. 3, pp. 124–131, 2000 ) zu finden, die diesen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Regelung eines Manipulator-Gelenks mit 3/2-Wegeservoventilen nutzen. According to the present inventive solution, the additional degree of freedom inherent in the principle of the dissolved control edge is used to control the pressure drop across the respective valve or valve group in the return flow and thus prevent cavitation and emptying of the reservoirs. Further criteria for the use of this additional degree of freedom are described by Bindel et al. ( Bindel, R., Nitsche, R., Rothfuss, R., and Zeitz, M. Flatness based control of a two-valve hydraulic joint of a large manipulator. In: at-automation technology, vol. 48, no. 3, pp. 124-131, 2000 ), which use this additional degree of freedom to control a manipulator joint with 3/2-Wegeservoventilen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des digitalhydraulischen Antriebssystems sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird innerhalb des Reglerentwurfs eine beobachtergestützte Lastabschätzung für den jeweils eingesetzten Aktuator durchgeführt.Further advantageous embodiments of the digital hydraulic drive system are the subject of the dependent claims. In a particularly preferred embodiment of the solution according to the invention, an observer-based load estimation for the respective actuator used is carried out within the controller design.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung dieIn the following, the solution according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing. This show in principle and not to scale representation of the

1a, 1b, 1c mit üblichen hydraulischen Schaltsymbolen versehen verschiedene Antriebssystemkonzepte, einmal in der Art einer Vollbrücke (1a) und einmal eine Ansteuerung im Zweiquadrantenbetrieb über den Zu- und Ablauf des Aktuators (1b) sowie gemäß der Darstellung nach der 1c verschiedene digital ansteuerbare hydraulische Schalt- und Steuerventile, die an die Stelle der einstellbaren Drosseln in den 1a, 1b treten; 1a . 1b . 1c with conventional hydraulic symbols provided different drive system concepts, once in the manner of a full bridge ( 1a ) and once a two-quadrant drive via the inlet and outlet of the actuator ( 1b ) and as shown in the 1c Various digitally controllable hydraulic switching and control valves, which replace the adjustable chokes in the 1a . 1b to step;

2 vergleichbar den Darstellungen nach den 1a und 1b die wesentlichen Komponenten eines digitalhydraulischen Antriebssystems mit vorgeschalteter Ventileinrichtung; 2 comparable to the representations after the 1a and 1b the essential components of a digital hydraulic drive system with upstream valve device;

3 den grundsätzlichen Aufbau einer Regelungsstruktur zum Regeln des digitalhydraulischen Antriebssystems; 3 the basic structure of a control structure for controlling the digital hydraulic drive system;

4a, 4b, 4c in der Art von Graphen Angaben über das Regelungsverhalten unter Einsatz von DFCU-Ventilen; 4a . 4b . 4c in the manner of graphs information on the control behavior using DFCU valves;

5a, 5b, 5c in der Art von Graphen Angaben über das Regelungsverhalten unter Einsatz von PWM-Ventilen; 5a . 5b . 5c in the manner of graphs information about the control behavior using PWM valves;

6a, 6b, 6c, 6d Auswertegraphen betreffend einen Systemvergleich, einmal unter Einsatz eines Lastschätzers und einmal ohne Lastschätzer; und 6a . 6b . 6c . 6d Evaluation graphs relating to a system comparison, once using a load estimator and once without load estimator; and

7 in der Art eines hydraulischen Schaltplanes eine digitalhydraulische Ansteuerungseinrichtung als 6 Bit-Vollbrücke konzipiert. 7 designed in the manner of a hydraulic circuit diagram, a digital hydraulic control device as a 6-bit full bridge.

Das betrachtete digitalhydraulische Antriebssystem besteht aus einem hydrostatischen Konstantmotor 10 mit hydropneumatischen Dämpfungsspeichern 12 an beiden Anschlüssen 14, 16. Die Ansteuerung erfolgt durch separate Ventileinheiten oder Ventilgruppen 18 einer Ventileinrichtung 20 an den Zu- und Abstromanschlüssen 14, 16 des Motors 10. Die 1a, 1b zeigen zwei mögliche Ausführungen einer solchen Antriebslösung mit aufgelöster Steuerkante. Unter „aufgelösten Steuerkanten” versteht man fachsprachlich, dass jede Steuerkante eines herkömmlichen Proportional-Wegeventils über zumindest ein Ventil mit zumindest einer Grund- und/oder einer Schaltstellung aufgelöst wird. Ein Ventil mit beispielsweise fünf Steuerkanten ist somit über zumindest fünf Schaltventile ersetzbar. Vorzugsweise werden sehr kleine, zeitlich sehr schnellschaltende Schaltventile eingesetzt in der Art von 2/2-Wege-Schaltventilen (vgl. 1c). Der Motor 10 ist an eine Druckversorgungsquelle mit dem Versorgungsdruck ps sowie an einen Tank- oder Rücklauf mit dem Tankdruck pT angeschlossen.The considered digital hydraulic drive system consists of a hydrostatic constant motor 10 with hydropneumatic damping accumulators 12 at both connections 14 . 16 , The control is carried out by separate valve units or valve groups 18 a valve device 20 at the inflow and outflow connections 14 . 16 of the motor 10 , The 1a . 1b show two possible embodiments of such a drive solution with dissolved control edge. The term "resolved control edges" is understood in technical terms to mean that each control edge of a conventional proportional directional control valve is dissolved via at least one valve with at least one basic and / or one switching position. A valve with, for example, five control edges is thus replaceable over at least five switching valves. Preferably, very small, temporally very fast-switching switching valves are used in the manner of 2/2-way switching valves (see. 1c ). The motor 10 is connected to a pressure supply source with the supply pressure p s and to a tank or return to the tank pressure p T.

In der 1a ist eine Vollbrücke dargestellt, die einen Vierquadrantenbetrieb erlaubt. Das System aus 1b kann hingegen nur in zwei Quadranten betrieben werden, da der Volumenstrom an beiden Anschlüssen 14, 16 nur in eine Richtung fließen kann. Dennoch eignen sich beide Schaltungen für eine Ansteuerung mit aufgelöster Steuerkante, da in beiden Fällen die Volumenströme an den Anschlüssen 14, 16 unabhängig voneinander vorgegeben werden können. Der Fokus der vorliegenden Erfindung liegt jedoch auf der Vollbrückenschaltung nach 1a und der 2. Um der Flexibilität möglicher Schaltungskonzepte dennoch Rechnung zu tragen, wird die vorgestellte Entwurfsmethode in zwei Teile geteilt: eine flachheitsbasierte Folgeregelung, die die Volumenströme als Stellgrößen verwendet und eine unterlagerte Steuerung des Volumenstroms, die von der Ventilkonfiguration abhängt. Entsprechend dieser Aufteilung werden im Folgenden die mathematischen Modelle für den Antrieb 10 und die Ventileinheiten 18, 20 im Einzelnen angegeben.In the 1a a full bridge is shown, which allows a four-quadrant operation. The system off 1b On the other hand, it can only be operated in two quadrants, since the volume flow at both connections 14 . 16 can only flow in one direction. Nevertheless, both circuits are suitable for control with resolved control edge, as in both cases, the volume flows at the terminals 14 . 16 can be specified independently of each other. However, the focus of the present invention is on the full bridge circuit 1a and the 2 , In order nevertheless to take into account the flexibility of possible circuit concepts, the presented design method is divided into two parts: a flatness-based follow-up control, which uses the volume flows as control variables and a subordinate control of the volume flow, which depends on the valve configuration. According to this division, below are the mathematical models for the drive 10 and the valve units 18 . 20 specified in detail.

Zunächst soll das Aktuatormodell prinzipiell vorgestellt werden.First, the actuator model will be presented in principle.

Der hydrostatische Motor 10 wird als System erster Ordnung

Figure DE102014003084A1_0002
modelliert, wobei J das Rotorträgheitsmoment, d den Koeffizienten der viskosen Reibung, τ das Lastmoment, p1 und p2 die Drücke an den Motoranschlüssen 14, 16 und VM das Schluckvolumen des Motors bezeichnen. Es sei angemerkt, dass das Lastmoment τ nicht als Systemgröße, sondern als zeitvarianter Parameter aufgefasst wird, d. h. es wird beim Reglerentwurf als bekannt vorausgesetzt. In Ermangelung der Kenntnis des Lastmoments kann ein Lastbeobachter in der Reglerimplementierung eingesetzt werden.The hydrostatic engine 10 becomes a first order system
Figure DE102014003084A1_0002
where J is the rotor inertia, d is the coefficient of viscous friction, τ is the load torque, p 1 and p 2 are the pressures at the motor terminals 14 . 16 and V M is the displacement of the engine. It should be noted that the load torque τ is not understood as a system variable, but as a time-variant parameter, ie it is assumed that the controller design is known. In the absence of knowledge of the load torque, a load observer may be employed in the controller implementation.

Die Bilanzierung der Volumenströme an den Motoranschlüssen 14, 16 liefert

Figure DE102014003084A1_0003
Figure DE102014003084A1_0004
The balancing of the volume flows at the motor connections 14 . 16 provides
Figure DE102014003084A1_0003
Figure DE102014003084A1_0004

Die Volumenströme, die in die Dämpfungsspeicher 12 gehen, werden mit qA,1 und qA,2 bezeichnet, der Leckagebeiwert des Motors 10 mit G. Für die beiden Speicher 12 werden einfache nichtlineare Modelle erster Ordnung p .iVi – npiqA,i = 0 mit i = 1,2 (4) basierend auf der Polytropengleichung p0,iV n / 0,i – piV n / i = 0 mit i = 1,2 (5) verwendet, wobei mit Vi die Gasvolumina der Speicher 12, mit p0,i die Vorspanndrücke, mit V0,i die Gesamtvolumina und mit n der Polytropenexponent bezeichnet sind.The volume flows in the damping memory 12 are denoted by q A, 1 and q A, 2 , the leakage coefficient of the motor 10 with G. For the two memories 12 become simple first order nonlinear models p. i V i - np i q A, i = 0 with i = 1,2 (4) based on the polytope equation p 0, i V n / 0, i - p i V n / i = 0 with i = 1,2 (5) used, where with V i, the gas volumes of the memory 12 , where p 0, i are the bias pressures, V 0, i are the total volumes, and n is the polytropic exponent.

Folglich lässt sich das Gesamtmodell des Antriebs (5) in der Form

Figure DE102014003084A1_0005
schreiben.Consequently, the overall model of the drive ( 5 ) in the shape
Figure DE102014003084A1_0005
write.

Die Ventileinheiten 18 der Ventileinrichtung 20 werden nachfolgend aus regelungstechnischer Sicht heraus näher beschrieben. Da, wie bereits zu Beginn erwähnt, der vorgestellte Ansatz zum Entwurf einer Folgeregelung für verschiedene Ventilkonfigurationen Gültigkeit besitzt, werden zwei Typen von digitalhydraulischer Vollbrückenschaltung (1c, 2) exemplarisch diskutiert. In beiden Fällen werden die Dynamiken von Ventilen 18 und Ventilmagneten vernachlässigt. Eine DFCU-Vollbrücke kann dann wie folgt modelliert werden:

Figure DE102014003084A1_0006
The valve units 18 the valve device 20 will be described in more detail below from a control point of view. Since, as already mentioned at the beginning, the proposed approach to the design of a sequence control for different valve configurations is valid, two types of digital hydraulic full bridge circuit ( 1c . 2 ) discussed by way of example. In both cases, the dynamics of valves 18 and valve magnets neglected. A full-bridge DFCU can then be modeled as follows:
Figure DE102014003084A1_0006

Der Versorgungsdruck und der Tankdruck werden jeweils mit ps und pt bezeichnet. Die Druck-Volumenstromcharakteristik der DFCUs werden durch den Koeffizienten KDFCU repräsentiert. Die Schaltindizes σi,si,t ∊ {0, 1, 2, ..., 2m – 1} bestimmen den Schaltzustand der m-bit DFCUs.The supply pressure and the tank pressure are respectively denoted by p s and p t . The pressure-volume flow characteristics of the DFCUs are represented by the coefficient K DFCU . The shift indices σ i, s , σ i, t ∈ {0, 1, 2,..., 2 m -1} determine the switching state of the m-bit DFCUs.

Die Vollbrücke mit PWM-gesteuerten Ventilen 18 wird in ähnlicher Weise modelliert:

Figure DE102014003084A1_0007
The full bridge with PWM controlled valves 18 is modeled in a similar way:
Figure DE102014003084A1_0007

In diesem Fall bezeichnen κi,s und κi,t den Tastgrad der jeweils mit der Druck- oder Fluid-Versorgung und Tank verbundenen Ventile 18. Der Beiwert KPWM bestimmt eine lineare Näherung der Beziehung zwischen Volumenstrom und Tastgrad.In this case, κ i, s and κ i, t denote the duty cycle of each of the valves connected to the pressure or fluid supply and tank 18 , The coefficient K PWM determines a linear approximation of the relationship between volume flow and duty cycle.

Um Kurzschlussströme zu vermeiden, ist jeweils immer nur ein Volumenstrompfad in jedem Brückenzweig aktiv. Eine Unterscheidung basierend auf dem Vorzeichen des angeforderten Volumenstroms qi liefern die Steuerungsgleichungen

Figure DE102014003084A1_0008
und
Figure DE102014003084A1_0009
In order to avoid short-circuit currents, only one volumetric current path is active in each bridge branch. A distinction based on the sign of the requested volume flow q i is provided by the control equations
Figure DE102014003084A1_0008
and
Figure DE102014003084A1_0009

Das vorstehend vorgestellte Modell des Antriebs stellt ein nichtlineares Mehrgrößensystem dar. Die Regelung solcher Systeme übersteigt oftmals die Möglichkeiten einfacher PID-Regler. Dies gilt insbesondere für die Folgeregelung. Die so gennante differentielle Flachheit ist eine Systemeigenschaft, die nicht nur den Reglerentwurf sondern auch die Analyse und die Dimensionierung eines Systems sowie die Planung geeigneter Referenztrajektorien erleichtert.The drive model presented above is a non-linear multi-variable system. The control of such systems often exceeds the capabilities of simple PID controllers. This applies in particular to the follow-up regulation. The so-called differential flatness is a system feature that facilitates not only the design of the controller but also the analysis and sizing of a system as well as the planning of suitable reference trajectories.

Die Eigenschaft der differentiellen Flachheit bedingt die Existenz eines sogenannten Flachen Ausgangs. Dieser (virtuelle) Ausgang ist im Allgemeinen eine Funktion der Systemgrößen und ihrer Zeitableitungen. Eine zentrale Eigenschaft der Flachheit ist, dass die Trajektorien aller Sytemgrößen einschließlich der Stellgrößen durch die Trajektorien des flachen Ausgangs eindeutig bestimmt sind, während diese wiederum frei vorgegeben werden können. Dies impliziert, dass das gewünschte Systemverhalten in Form von Trajektorien für die Komponenten eines flachen Ausgangs vorgegeben werden kann. Die resultierende Regelungsaufgabe beschränkt sich dann darauf, die Trajektorienfolge des flachen Ausgangs sicherzustellen, was wiederum dadurch erleichtert wird, dass sich die Stellgrößen unmittelbar aus den Komponenten des flachen Ausgangs berechnen lassen.The property of differential flatness implies the existence of a so-called flat output. This (virtual) output is generally a function of system sizes and their time derivatives. A central feature of the flatness is that the trajectories of all system quantities, including the manipulated variables, are uniquely determined by the trajectories of the flat output, while these can in turn be freely specified. This implies that the desired system behavior can be given in the form of trajectories for the components of a flat output. The resulting control task is then limited to ensuring the trajectory sequence of the flat output, which in turn is facilitated by the fact that the manipulated variables can be calculated directly from the components of the flat output.

Das betrachtete Modell des Antriebs weist die Eigenschaft der differentiellen Flachheit auf. Ein flacher Ausgang y besteht aus der Winkelgeschwindigkeit y1 = ω und dem Summendruck y2 = p1 + p2 an den Motoranschlüssen 14, 16. Unter Verwendung der bereits vorgestellten Modellgleichungen betreffend das Aktuatormodell kann jede Systemgröße durch den flachen Ausgang y und seine Zeitableitungen ausgedrückt werden:

Figure DE102014003084A1_0010
The considered model of the drive has the property of differential flatness. A flat output y consists of the angular velocity y 1 = ω and the sum pressure y 2 = p 1 + p 2 at the motor connections 14 . 16 , Using the model equations concerning the actuator model already presented, each system size can be expressed by the flat output y and its time derivatives:
Figure DE102014003084A1_0010

Es sei angemerkt, dass die Flachheitseigenschaft auch erhalten bleibt, wenn die Ventilmodelle nach den Formeln (7) und (8) berücksichtigt werden, da die Stellgrößen σi,s/t und κi,s/t direkt aus den Volumenströmen qi und den Drücken pi berechnet werden, welche wiederum mittels Formel (11) aus dem flachen Ausgang y berechnet werden können. Zur Wahrung der Flexibilität und der Übersichtlichkeit wird der Reglerentwurf dennoch auf der Basis des Aktuatormodells nach Formel (6) durchgeführt. Die Flachheitseigenschaft beschränkt sich nicht exklusiv auf digitalhydraulische Antriebe, sondern lässt sich auf alle Systeme übertragen, die die Struktur (6) aufweisen. Dies gilt auch für hydraulische Linearantriebe wie z. B. Differentialzylinder, sofern die erste Komponente des flachen Ausgangs y durch die Zylinderposition ersetzt wird.It should be noted that the flatness property is also retained when the valve models according to the formulas (7) and (8) are taken into account, since the manipulated variables σ i, s / t and κ i, s / t directly from the volume flows q i and the pressures p i are calculated, which in turn can be calculated from the flat output y by means of formula (11). To maintain the flexibility and the clarity of the controller design is still performed on the basis of the actuator model according to formula (6). The flatness property is not limited exclusively to digital hydraulic drives, but can be transferred to all systems having the structure (6). This also applies to hydraulic linear drives such. B. differential cylinder, provided that the first component of the flat output y is replaced by the cylinder position.

Im Folgenden wird ohne Beschränkung allgemeiner Grundsätze davon ausgegangen, dass keine Leckage am Motor 10 auftritt, d. h. G = 0. Darüber hinaus werden die Vorspannbedingungen beider Speicher 12 als gleich angenommen: V0,1 = V0,2 = V0 und p0,1 = p0,2 = p0.In the following, it is assumed without limitation general principles that there is no leakage on the engine 10 occurs, ie G = 0. In addition, the bias conditions of both memory 12 assumed as equal to: V 0.1 = V 0.2 = V 0 and p 0.1 = p 0.2 = p 0 .

Im Folgenden wird die Flachheitsbasierte Folgeregelung näher erläutert. Dabei beruht der Entwurf der Flachheitsbasierten Folgeregelung auf drei Schritten. Zunächst müssen geeignete Referenztrajektorien für den flachen Ausgang y festgelegt werden. Anschließend werden die Regelgesetze für die Folgeregelung ermittelt. Schließlich werden die vom Folgeregler berechneten Sollvolumenströme als Eingang für die Ventilsteuerung verwendet. Die dahingehende Ventilsteuerung ist als Funktionsblock in der 3 dargestellt und dort mit (9), (10) bezeichnet, da dieser Funktionsblock den vorstehend beschriebenen Formeln (9) und (10) zugeordnet ist.In the following, the flatness-based follow-up control is explained in more detail. The design of the flatness-based sequence control is based on three steps. First, suitable reference trajectories must be set for the flat output y. Subsequently, the control laws for the follow-up control are determined. Finally, the setpoint flows calculated by the slave controller are used as input for valve control. The pertinent valve control is as a functional block in the 3 represented there and (9), (10), since this function block is associated with the formulas (9) and (10) described above.

Ein wesentlicher Vorteil des flachheitsbasierten Entwurfs ist, dass eine Unterscheidung verschiedener Betriebsmodi und das Umschalten zwischen diesen nicht notwendig ist. Da die Sollvolumenströme analytisch aus den Referenztrajektorien und den gemessenen Größen berechnet werden können, ist die einzige notwendige Unterscheidung jene des Vorzeichens dieser Sollvolumenströme, wie bereits in den Stellgesetzen (9) und (10) dargelegt. Im Vollbrückensytem nach der 1a wird das jeweils eine Verbindungsventil einer Gruppe 18 zur Versorgung für positive Volumenströme und das jeweils weitere Verbindungsventil einer weiteren Gruppe 18 zum Tank für negative Volumenströme verwendet. Im zweiten Beispiel nach der 1b ergibt sich eine Stellgrößenbeschränkung durch die Tatsache, dass nur positive Volumenströme realisiert werden können. Dies kann bei der Generierung geeigneter Solltrajektorien berücksichtigt werden, wie beispielsweise in von Löwis, J. and Rudolph, J. Real-time trajectory generation for flat systems with constraints. In: Nonlinear and Adaptive Control, pp. 385–394. Springer, 2003 beschrieben.An essential advantage of the flatness-based design is that it is not necessary to distinguish between different modes of operation and switch between them. Since the nominal volume flows can be calculated analytically from the reference trajectories and the measured variables, the only necessary distinction is that of the sign of these nominal volume flows, as already explained in the laws (9) and (10). In Vollbrückensytem after the 1a this is a connecting valve of a group 18 for supply for positive volume flows and the respective further connecting valve of another group 18 used for the tank for negative volume flows. In the second example after the 1b This results in a manipulated variable restriction due to the fact that only positive volume flows can be realized. This can be taken into account in the generation of suitable target trajectories, such as in Löwis, J. and Rudolph, J. Real-time trajectory generation for flat systems with constraints. In: Nonlinear and Adaptive Control, pp. 385-394. Springer, 2003 described.

Im Folgenden wird der Einsatz der Referenztrajektorien näher beschrieben. Der erste Schritt beim Entwurf einer Folgeregelung ist die Vorgabe des gewünschten Systemverhaltens in Form von Referenztrajektorien für den flachen Ausgang y. Abgesehen von Einschränkungen technologischer Natur, wie z. B. Stellgrößenbeschränkungen, können diese Trajektorien frei und definitionsgemäß unabhängig voneinander vorgegeben werden. Wie am vorliegenden Beispiel demonstriert wird, mag es dennoch Vorteile mit sich bringen, eine künstliche Abhängigkeit dieser Trajektorien einzuführen. The use of the reference trajectories will be described in more detail below. The first step in the design of a sequence control is the specification of the desired system behavior in the form of reference trajectories for the flat output y. Apart from limitations of a technological nature, such. As manipulated variable restrictions, these trajectories can be specified freely and by definition independently. As demonstrated by the present example, it may nevertheless be advantageous to introduce an artificial dependence of these trajectories.

Die Trajektorie für die erste Komponente des flachen Ausgangs y, in Form der Winkelgeschwindigkeit ω, ergibt sich unmittelbar aus der Steuerungsaufgabe. Ein Arbeitspunktwechsel von ω0 zu ωf in der Übergangszeit tf ließe sich beispielsweise durch eine polynomiale Referenztrajektorie der Form

Figure DE102014003084A1_0011
realisieren. Schließlich bleibt mit der Festlegung der Trajektorie des Summendrucks ein zweiter Freiheitsgrad. Durch die Wahl
Figure DE102014003084A1_0012
werden die Trajektorien der Drücke
Figure DE102014003084A1_0013
durch pmin, nach unten beschränkt während gleichzeitig die benötigte Antriebsdruckdifferenz p1 – p2 bereitgestellt wird, d. h. die Gleichung (6a) wird durch die Referenztrajektorien erfüllt. Folglich kann die Schranke pmin für den Druck dazu verwendet werden, Kavitation (insbesondere bei Lastwechseln) oder auch den Abfall des Speicherdrucks unter den Vorspanndruck p0 zu verhindern. Darüberhinaus entspricht die Referenz des niedrigeren der beiden Drücke p1(t) und p2(t) jederzeit pmin. Folglich können durch einen geeigneten Kompromiss zwischen Druckabfall und Vorspanndruck die Drosselverluste verringert werden.The trajectory for the first component of the flat output y, in the form of the angular velocity ω, results directly from the control task. An operating point change from ω 0 to ω f in the transition time t f could be, for example, a polynomial reference trajectory of the form
Figure DE102014003084A1_0011
realize. Finally, with the determination of the trajectory of the total pressure remains a second degree of freedom. By choice
Figure DE102014003084A1_0012
become the trajectories of the pressures
Figure DE102014003084A1_0013
limited by p min , while at the same time the required driving pressure difference p 1 - p 2 is provided, ie the equation (6a) is satisfied by the reference trajectories. Consequently, the barrier p min can be used for the pressure to prevent cavitation (especially during load changes) or also the drop of the accumulator pressure below the prestressing pressure p 0 . In addition, the reference of the lower of the two pressures p 1 (t) and p 2 (t) at any time p min . Consequently, by a suitable compromise between pressure drop and bias pressure, the throttle losses can be reduced.

Im nächsten Schritt werden die einzelnen Regelgesetze für die Folgeregelung hergeleitet. Ziel dabei ist es, dass die Folgefehler e1 = y1 – y1,r und e2 = y2 – y2,r asymptotisch gegen Null konvergieren. Dazu wird eine lineare Fehlerdynamik

Figure DE102014003084A1_0014
zugewiesen, mit Ki,j > 0 und k1,0 < k1,2k1,1. Diese Aufgabe umfasst zwei Schritte: Zunächst wird das System durch eine statische Rückführung exakt linearisiert. Dieser Schritt profitiert erneut von der Flachheitseigenschaft insofern, dass es immer möglich ist, ein flaches System durch eine quasi-statische Rückführung exakt zu linearisieren (vgl. Delaleau, E. and Rudolph, J. Control of flat systems by quasi-static feedback of generalized states. In: Int. J. Control, vol. 71, no. 5, pp. 745–765, 1998 ). Es sei betont, dass die Linearisierung durch Rückführung in keiner Weise eine Approximation darstellt, sondern lediglich eine Kompensation der Nichtlinearitäten. Da das resultierende System linear bezüglich eines neuen (virtuellen) Eingangs ist, genügt ein linearer Regler zur Sicherstellung der Fehlerdynamik.In the next step, the individual control laws for the follow-up regulation are derived. The goal here is that the following errors e 1 = y 1 -y 1, r and e 2 = y 2 -y 2, r converge asymptotically to zero. This is a linear error dynamics
Figure DE102014003084A1_0014
assigned, with K i, j > 0 and k 1.0 <k 1.2 k 1.1 . This task involves two steps: First, the system is exactly linearized by a static feedback. This step again benefits from the flatness property in that it is always possible to exactly linearize a flat system by a quasi-static feedback (cf. Delaleau, E. and Rudolph, J. Control of flat systems by quasi-static feedback of generalized states. In: Int. J. Control, vol. 71, no. 5, pp. 745-765, 1998 ). It should be emphasized that the linearization by feedback in no way represents an approximation, but only a compensation of the nonlinearities. Since the resulting system is linear with respect to a new (virtual) input, a linear controller is sufficient to ensure the error dynamics.

Eine Zustandsdarstellung des Systems (6) bzgl. des Eingangs (q1, q2) lautet

Figure DE102014003084A1_0015
Figure DE102014003084A1_0016
mit dem Zustand x = (x1, x2, x3)T = (y1, ẏ1, y2)T und
Figure DE102014003084A1_0017
A state representation of the system (6) with respect to the input (q 1 , q 2 ) reads
Figure DE102014003084A1_0015
Figure DE102014003084A1_0016
with the state x = (x 1 , x 2 , x 3 ) T = (y 1 , ẏ 1 , y 2 ) T and
Figure DE102014003084A1_0017

Die Rückführung

Figure DE102014003084A1_0018
linearisiert das System (17) bzgl. des neuen (virtuellen) Eingangs v = (v1, v2): 1 = x2, ẋ2 = v1, ẋ3 = v2. (20) The return
Figure DE102014003084A1_0018
the system (17) linearizes with respect to the new (virtual) input v = (v 1 , v 2 ): 1 = x 2 , ẋ 2 = v 1 , ẋ 3 = v 2 . (20)

Schließlich führt die Anwendung der Regelgesetze

Figure DE102014003084A1_0019
auf die Fehlerdynamik. In Summe wird der Folgeregler durch die Gleichungen (19) und (21) beschrieben (vgl. 3). In der 3 sind die einschlägigen Formeln für die jeweiligen Funktionsblöcke in Zahlen ausgedrückt und in Klammern gesetzt. Dabei betrifft der erste Funktionsblock 30 die Generierung von Trajektorien. Der zweite Funktionsblock 32 symbolisiert den Controller oder Regler. Der dritte Funktionsblock 34 bezieht sich auf die linearisierende Rückführung, und der Funktionsblock 36 soll den Schätzer betreffen. Ansonsten werden die bisher eingeführten Bezugsgrößen und Bezugszeichen auch für die 3 eingesetzt.Finally, the application of the rule laws
Figure DE102014003084A1_0019
on the error dynamics. In sum, the slave controller is described by equations (19) and (21) (cf. 3 ). In the 3 the pertinent formulas for the respective function blocks are expressed in numbers and in brackets. The first functional block is concerned 30 the generation of trajectories. The second function block 32 symbolizes the controller or controller. The third function block 34 refers to the linearizing feedback, and the functional block 36 should concern the estimator. Otherwise, the previously introduced reference quantities and reference numerals for the 3 used.

Zusätzlich kann ein Beobachter 36 zum Einsatz kommen, was im Folgenden näher erläutert wird.In addition, an observer 36 are used, which will be explained in more detail below.

Der Reglerentwurf aus dem voranstehenden Abschnitt beruht auf der Kenntnis des Lastmoments τ. Eine solche Kenntnis kann entweder auf einer Messung oder einer sehr genauen Kenntnis des zugrunde liegenden Prozesses beruhen. Falls diese Bedingungen jedoch nicht zutreffen, kann eine beobachtergestützte Lastschätzung verwendet werden. The controller design from the previous section is based on the knowledge of the load torque τ. Such knowledge can be based either on a measurement or a very accurate knowledge of the underlying process. However, if these conditions are not met, an observer-based load estimate can be used.

Sofern nur die Drücke p1 und p2 gemessen werden, kann ein Beobachter der Form

Figure DE102014003084A1_0020
dazu verwendet werden, sowohl die Winkelgeschwindigkeit ω als auch das Lastmoment τ zu schätzen. Im Folgenden werden die geschätzten Größen durch ein „Dach” und Schätzfehler durch eine „Tilde” gekennzeichnet (e. g. ω ~ = ω – ω ^). Zwar bringt die Verwendung der Speichervolumina V1 und V2 als Zustandsvariablen die nichtlineare Aufschaltung der Schätzfehler
Figure DE102014003084A1_0021
basierend auf den Druckmessungen mit sich, allerdings führt sie auf eine lineare Schätzfehlerdynamik
Figure DE102014003084A1_0022
If only the pressures p 1 and p 2 are measured, an observer of the form
Figure DE102014003084A1_0020
be used to estimate both the angular velocity ω and the load torque τ. In the following, the estimated quantities are indicated by a "roof" and estimation errors by a "tilde" (eg ω ~ = ω - ω ^). Although the use of the storage volumes V 1 and V 2 as state variables brings the non-linear connection of the estimation errors
Figure DE102014003084A1_0021
based on the pressure measurements, but it leads to a linear estimation error dynamics
Figure DE102014003084A1_0022

Diese Fehlerdynamik kann für q ~1, q ~2 = 0 durch die Wahl geeigneter Beobachterverstärkungen Ii,j leicht asymptotisch stabil gestaltet werden. Falls die Volumenströme q1 und q2 nicht exakt bekannt sind, was in der Anwendung häufig der Fall ist, wird die Fehlerdynamik nicht-autonom mit den Fehlern q ~1 und q ~2 als Anregung durchgeführt. Dies beeinträchtigt die Verwendbarkeit des Schätzers, speziell im Fall digitalhydraulischer Systeme, bei denen die Abweichungen durch die Umschaltvorgänge der Ventile 18 eine hochdynamische Anregung darstellen. Abhilfe kann geschaffen werden durch Heranziehen einer zusätzlichen Messung der Winkelgeschwindigkeit ω. In diesem Fall kann die Lastschätzung mittels des linearen Beobachters

Figure DE102014003084A1_0023
erfolgen. Es ergibt sich die Schätzfehlerdynamik
Figure DE102014003084A1_0024
die für jede Wahl I1 > – d / J, I2 < 0 asymptotisch stabil ist. 3 verdeutlicht die Struktur des insoweit geschlossenen Regelkreises.For q ~ 1 , q ~ 2 = 0, this error dynamics can easily be made asymptotically stable by the choice of suitable observer gains I i, j . If the volume flows q 1 and q 2 are not known exactly, which is often the case in the application, the error dynamics are carried out non-autonomously with the errors q ~ 1 and q ~ 2 as excitation. This affects the usability of the estimator, especially in the case of digital hydraulic systems where the deviations are due to the switching operations of the valves 18 represent a highly dynamic excitation. Remedy can be created by taking an additional measurement of the angular velocity ω. In this case, the load estimation by means of the linear observer
Figure DE102014003084A1_0023
respectively. The result is the estimation error dynamics
Figure DE102014003084A1_0024
the for every choice I 1 > - d / J, I 2 <0 asymptotically stable. 3 illustrates the structure of the extent closed loop.

Zwei Varianten des betrachteten digitalhydraulischen Systems wurden mit dem Simulationsprogramm AMESim simuliert, um die vorgeschlagene Folgeregelung zu illustrieren. Im ersten Fall wird eine Vollbrücke mit 6 Bit-DFCUs (7) als Brückenwiderständen zur Ansteuerung verwendet. Die DFCUs bestehend aus modifizierten HYDAC WS08W Ventilen mit Schaltzeiten von 5 ms und nachgeschalteten Blenden mit den Durchmessern 0,45 mm, 0,62 mm, 0,9 mm, 1,28 mm, 1,83 mm und 3 mm. Die Simulationsmodelle der Ventile 18 bilden die mechanische Ventilkolbendynamik, ein einfaches Magnetmodell erster Ordnung mit Sättigung sowie einer unterlagerten Stromregelung. Im zweiten Beispiel bestehen die Brückenwiderstände aus Ventilgruppen 18 desselben Typs, die durch ein 50 Hz PWM-Signal angesteuert werden. Das von AMESim bereitgestellte Redlich-Kwong-Soave Gasmodell ( Soave, G. Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state. In: Chem. Eng. Sci., vol. 27, no. 6, pp. 1197–1203, 1972 ) wurde zur Simulation der Dämpfungsspeicher 12 verwendet. Das zum Einsatz kommende Motormodell 10 entspricht wiederum Gleichung (1). Die verwendeten physikalischen Parameter können der nachfolgenden Tabelle entnommen werden. Die Reglerparameter wurden zu k1,0 = 8000 s–3, k1,1 = 1280 s–2, k1,2 = 64 s–1, k2,0 = 400 s–2 und k2,1 = 40 s–1 gewählt. tcA Parameter Symbol Wert Einheit Rotorträgheitsmoment J 2.35·10–2 Kgm2 Motordämpfungskoeffizient d 3.18·10–2 Nms Schluckvolumen VM 2.4·10–6 m3rad Speichervolumen V0 1·10–4 m3 Speichervorspanndruck p0 1.5·106 Pa Tabelle: Physikalische Systemparameter Two variants of the considered digital hydraulic system were simulated with the simulation program AMESim to illustrate the proposed sequence control. In the first case, a full bridge with 6-bit DFCUs ( 7 ) used as bridge resistors for driving. The DFCUs consist of modified HYDAC WS08W valves with switching times of 5 ms and downstream diaphragms with the diameters 0.45 mm, 0.62 mm, 0.9 mm, 1.28 mm, 1.83 mm and 3 mm. The simulation models of the valves 18 form the mechanical valve piston dynamics, a simple magnetic model of the first order with saturation and a subordinate current control. In the second example, the bridge resistors consist of valve groups 18 of the same type, driven by a 50 Hz PWM signal. The Redlich-Kwong-Soave gas model provided by AMESim ( Soave, G. Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state. In: Chem. Eng. Sci., Vol. 27, no. 6, pp. 1197-1203, 1972 ) was used to simulate the damping memory 12 used. The used engine model 10 again corresponds to equation (1). The physical parameters used can be found in the following table. The controller parameters became k 1.0 = 8000 s -3 , k 1.1 = 1280 s -2 , k 1.2 = 64 s -1 , k 2.0 = 400 s -2 and k 2.1 = 40 s -1 is selected. tcA parameters symbol value unit Rotor inertia J 2.35 · 10 -2 Kgm 2 Motor damping coefficient d 3.18 · 10 -2 nms displacement V M 2.4 · 10 -6 m 3 rad storage volume V 0 1 · 10 -4 m 3 Memory bias pressure p 0 1.5 · 10 6 Pa Table: Physical system parameters

Die Referenztrajektorie der Winkelgeschwindigkeit ω umfasst drei Arbeitspunktwechsel. Zunächst wird der Motor 10 aus dem Stillstand auf 900 min–1 beschleunigt, dann auf 100 min–1 gebremst und schließlich erfolgt eine Reversierung auf –600 min–1. Die Ergebnisse der Simulation der DFCU-Brücke sind in den 4a, 4b, 4c dargestellt, wobei in x-Richtung die Zeit in Sekunden aufgetragen ist und in der 4a in y-Richtung die Winkelgeschwindigkeit ω mit der Einheit 1/min. In den 4b und 4c ist in y-Richtung der Druck in der Einheit bar angegeben. In Blickrichtung auf die 4a gesehen ist rechts oben ein Detailausschnitt wiedergegeben, aus dem Graphen nach der 4a. Sofern im Regelmodell Referenztrajektorien zum Einsatz kommen, sind die Kurvenverläufe geglättet und insbesondere die gezackten Verläufe in den 4b und 4c sind dann entsprechend weggeglättet.The reference trajectory of the angular velocity ω comprises three operating point changes. First, the engine 10 accelerated from standstill to 900 min -1 , then braked to 100 min -1 and finally reversed to -600 min -1 . The results of the simulation of the DFCU bridge are in the 4a . 4b . 4c represented, wherein in the x-direction, the time is plotted in seconds and in the 4a in the y-direction the angular velocity ω with the unit 1 / min. In the 4b and 4c the pressure in the unit bar is indicated in the y-direction. In the direction of the 4a Seen on the top right is a detail shown, from the graph after the 4a , If reference trajectories are used in the control model, the curves are smoothed and, in particular, the jagged courses in the 4b and 4c are then smoothed out accordingly.

Es ist ferner zu sehen, dass das System der Referenztrajektorie der Winkelgeschwindigkeit sehr gut folgen kann. In der Detailansicht sind kleinere Oszillationen zu erkennen, die durch die nicht-idealen Umschaltvorgänge der Ventile 18 entstehen. Wie der Darstellung der Druckverläufe entnommen werden kann, führen Abweichungen von den Referenztrajektorien zu einer leichten Verletzung der unteren Schranke pmin. Folglich ist die Berücksichtigung eines Sicherheitsposlters bei der Festlegung dieser Schranke empfehlenswert. Diese Abweichungen haben ihren Ursprung in der vereinfachten Modellierung der Ventile sowie in der beschränkten Bandbreite der Regler. 5a, 5b, 5c zeigen die Simulationsergebnisse für das PWM-gesteuerte System. Während auf den Drucksignalen deutlich größere Oszillationen zu erkennen sind, ähnelt das Folgeverhalten der Winkelgeschwindigkeit ω jenem aus dem DFCU-System. Was die Bezeichnung der x- und y-Koordinaten anbelangt sowie die weiter getroffenen Ausführungen entspricht die 5a der 4a und die 5b und 5c den 4b bzw. 4c.It can also be seen that the system of reference trajectory can follow the angular velocity very well. The detail view shows smaller oscillations due to the non-ideal switchover of the valves 18 arise. As can be seen from the representation of the pressure curves, deviations from the reference trajectories lead to a slight violation of the lower barrier p min . Consequently, it is advisable to consider a safety footprint when defining this barrier. These deviations have their origin in the simplified modeling of the valves and in the limited bandwidth of the controllers. 5a . 5b . 5c show the simulation results for the PWM-controlled system. While significantly larger oscillations can be seen on the pressure signals, the follow-up behavior of the angular velocity ω is similar to that of the DFCU system. As far as the designation of the x- and y-coordinates is concerned, as well as the further statements correspond to the 5a of the 4a and the 5b and 5c the 4b respectively. 4c ,

Der Einfluss des Lastschätzers wird durch 6 verdeutlicht. Das DFCU-System wurde mit einem plötzlichen Lastwechsel innerhalb 100 ms von 0 Nm nach 20 Nm bei t = 2 s und von 20 Nm nach 0 Nm bei t = 3 s simuliert. Die Beobachterparameter wurden zu I1 = 2000 s–1 und I2 = –2.35·104Nm·s–1 gewählt. Es zeigt sich, dass die Abweichungen der Winkelgeschwindigkeit von ihrer Referenztrajektorie von 18% auf 2% deutlich reduziert werden können durch Verwendung des Lastbeobachters. Zudem zeigt sich, dass die Referenztrajektorie für den Summendruck ohne die Lastschätzung nicht korrekt berechnet werden kann (vgl. Gleichung (13)). Aus diesem Grund verletzt der Druck p2 die untere Schranke bei pmin = 20 bar dauerhaft. Im Gegensatz dazu vermeidet das beobachtergestützte System solche Verletzungen der Beschränkung abgesehen von Spitzen aufgrund der dynamischen Beschränkungen des Systems. Die stark schwankend gezeichneten Verläufe betreffen Simulationswerte ohne Lastbeobachter.The influence of the load estimator is through 6 clarified. The DFCU system was simulated with a sudden load change within 100 ms from 0 Nm to 20 Nm at t = 2 s and from 20 Nm to 0 Nm at t = 3 s. The observer parameters were chosen to be I 1 = 2000 s -1 and I 2 = -2.35 · 10 4 Nm · s -1 . It can be seen that the deviations of the angular velocity from its reference trajectory from 18% to 2% can be significantly reduced by using the load observer. It also shows that the reference trajectory for the total pressure can not be calculated correctly without the load estimate (see equation (13)). For this reason, the pressure p 2 permanently violates the lower barrier at p min = 20 bar. In contrast, the observer-based system avoids such violations of restriction apart from spikes due to the dynamic limitations of the system. The strongly fluctuating graphs refer to simulation values without load observers.

Die vorgestellte Erfindung betrifft eine flachheitsbasierte Folgeregelung für einen digitalhydraulischen Antrieb, basierend auf dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante. Die vorgestellten Regelungsstrategien vermeiden die Unterscheidung von Betriebsmodi und daraus resultierendem Umschalten zwischen solchen Modi. Der zusätzliche Freiheitsgrad, der mit der zweiten Stellgröße einhergeht, wird dazu verwendet, den Minimaldruck an den Motoranschlüssen 14, 16 festzulegen. Auf diese Weise kann das Entleeren der Dämpfungsspeicher 12 und Kavitation verhindert werden. Darüber hinaus können die Druckverluste bei Verwendung einer variablen Versorgung auf das notwendige Minimum beschränkt werden. Ein Lastschätzer wird wie aufgezeigt verwendet, um das Lastmoment τ an der Motorwelle des Konstantmotors 10 zu bestimmen. Nomenklatur

Figure DE102014003084A1_0025
The present invention relates to a flatness-based follow-up control for a digital hydraulic drive, based on the principle of the resolved control edge. The presented control strategies avoid the distinction of operating modes and the resulting switching between such modes. The additional degree of freedom associated with the second manipulated variable is used to give the minimum pressure at the motor terminals 14 . 16 set. In this way, the emptying of the damping memory 12 and cavitation are prevented. In addition, the pressure losses can be limited to the necessary minimum when using a variable supply. A load estimator is used, as indicated, to calculate the load torque τ at the motor shaft of the constant-velocity motor 10 to determine. nomenclature
Figure DE102014003084A1_0025

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Claims (9)

Digitalhydraulisches Antriebssystem, bestehend aus – einem Aktuator, wie einem hydrostatischen Konstantmotor (10) oder einem Arbeitszylinder mit vorzugsweise angeschlossenen hydropneumatischen Dämpfungsspeichern (12) an beiden zuordenbaren Aktuatoranschlüssen (14, 16) sowie – mindestens einer unabhängig betätigbaren Ventileinrichtung (20) für die Ansteuerung der Volumenströme in den Zu- und/oder Abströmanschlüssen (14, 16) des Aktuators, dadurch gekennzeichnet, dass eine flachheitsbasierte Folgeregelung eingesetzt ist, die die Volumenströme als Stellgröße verwendet, und eine unterlagerte Steuerung zum Einsatz kommt, die von der Konfiguration der Ventileinrichtung (20) abhängt.Digital hydraulic drive system consisting of - an actuator, such as a hydrostatic constant-motor ( 10 ) or a working cylinder with preferably connected hydropneumatic damping accumulators ( 12 ) at both assignable actuator connections ( 14 . 16 ) and - at least one independently operable valve device ( 20 ) for the control of the volume flows in the inlet and / or Abströmanschlüssen ( 14 . 16 ) of the actuator, characterized in that a flatness-based follow-up control is used, which uses the volume flows as a control variable, and a lower-level control is used, which depends on the configuration of the valve device ( 20 ) depends. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu konfigurierende Ventileinrichtung (20) eine digitalhydraulische Vollbrückenschaltung zum Einsatz kommt unter Einsatz von pulsweitenmodulierten Ventileinheiten (PWM) und/oder von Puls-Codemodulierten Ventileinheiten (PCM) und/oder von digitalen Volumenstromeinheiten (DFCU).Drive system according to claim 1, characterized in that as a valve device to be configured ( 20 ) a digital hydraulic full bridge circuit is used using pulse width modulated valve units (PWM) and / or pulse code modulated valve units (PCM) and / or digital volume flow units (DFCU). Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Durchführen der flachheitsbasierten Folgeregelung zunächst Referenztrajektorien für einen flachen Ausgang (y) festgelegt werden, dann die Regelgesetze für die Folgeregelung ermittelt und anschließend die von einem Folgeregler berechneten Sollvolumenströme als Eingang für die Ventilsteuerung verwendet werden.Drive system according to claim 1 or 2, characterized in that for the implementation of the flatness-based sequence control first reference trajectories for a flat output (y) are set, then determines the control laws for the follow-up control and then uses the calculated by a slave controller desired volume flows as input for the valve control become. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flachheitsbasierte Folgeregelung auf dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante beruht.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the flatness-based follow-up control is based on the principle of the resolved control edge. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Konstantmotors (10) im Vierquadrantenbetrieb erfolgt.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the constant-motor ( 10 ) takes place in four-quadrant operation. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante inhärente zusätzliche Freiheitsgrad dazu eingesetzt ist, den Druckabfall an dem jeweiligen Ventil der Ventileinrichtung (20) im Rückstrom zu steuern.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the additional degree of freedom inherent in the principle of the disengaged control edge is used to control the pressure drop across the respective valve of the valve device ( 20 ) in the return flow. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Entwurf gehörige flache Ausgang (y) sich aus der Winkelgeschwindigkeit (ω) des Konstantmotors (10) als Aktuator und dem Summendruck (p1 + p2) an seinen fluidführenden Motoranschlüssen (14, 16) bestimmt.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the flat output (y) associated with the design is based on the angular velocity (ω) of the constant-velocity motor ( 10 ) as an actuator and the total pressure (p 1 + p 2 ) at its fluid-carrying motor connections ( 14 . 16 ) certainly. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reglerentwurf auf der Kenntnis einer Lastbezugsgröße, wie der Kenntnis des Lastmoments (τ) des Konstantmotors (10) erfolgt oder dass hierfür eine beobachtergestützte Lastschätzung verwendet wird.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the controller design on the knowledge of a load reference size, such as the knowledge of the load torque (τ) of the constant-motor ( 10 ) or that an observer-based load estimate is used for this purpose. Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastschätzung mittels eine linearen Beobachters erfolgt.Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that the load estimation takes place by means of a linear observer.
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