DE102014224337A1

DE102014224337A1 - Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebs

Info

Publication number: DE102014224337A1
Application number: DE102014224337.8A
Authority: DE
Inventors: Horst Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-29
Also published as: ITUB20155916A1; DE102014224337B4; CN105644340B; US20160169382A1; US10281036B2; CN105644340A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebs, welcher eine Antriebsmaschine, eine mit der Antriebsmaschine gekoppelte hydraulische Pumpe und einen über einen hydraulischen Arbeitskreis mit der hydraulischen Pumpe gekoppelten hydraulischen Motor aufweist, wobei aus einem vorgegebenen Sollwert für wenigstens eine der Regelgrößen umfassend einen Druck im hydraulischen Arbeitskreis, eine Drehzahl der hydraulischen Pumpe und eine Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs im Zuge einer Vorsteuerung wenigstens eine von mehreren Stellgrößen des hydrostatischen Antriebs ermittelt und eingestellt wird, und wobei die übrigen Regelgrößen und/oder Stellgrößen automatisch nachgeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebs.
Stand der Technik
Eine Ansteuerung von hydrostatischen Antrieben erfolgte ursprünglich mechanisch oder hydraulisch. Dabei ist üblicherweise jeder Stellgröße ein Bedienelement zugeordnet. Viele der heute eingesetzten, elektronisch angesteuerten Systeme haben dieses Ansteuerkonzept übernommen und bilden meist direkt in einer eineindeutigen Zuordnung die Bedienteilvorgaben auf Stellgrößen ab.
Aus der DE 10 2010 020 004 A1 ist bspw. eine Ansteuerung bekannt, bei der eine Drehmomentregelung auf einer Pumpenwelle im Sinne eines Leistungs- oder Drehmomentreglers realisiert wird. Dazu wird über eine Stellvorrichtung ein Hubvolumen der Pumpe eingestellt.
Weiterhin kann ein Arbeitsdruck hydraulisch geregelt begrenzt werden, um damit mittelbar bspw. eine Zugkraft zu begrenzen. Solche Verfahren können bspw. bei stangenlosen Flugzeugschleppern eingesetzt werden.
Im Automotive-Bereich hat sich eine Momentenstruktur etabliert, die auf unterschiedlichen Ebenen eine Fahrervorgabe mit Eingriffen von Fahrsicherheitssystemen, Assistenzsystemen, Getrieben usw. koordiniert. Dazu können momentenbasierte Ansteuerverfahren für hydrostatische Antriebe verwendet werden. Dafür wird aber ein Speicher im Antriebssystem vorausgesetzt. Dies wird bspw. bei einem Hydraulic Powertrain (HPT) oder bei Hydraulic Regenerative Braking (HRB) verwendet.
Ein solcher Hydraulic Powertrain wird bspw. in der DE 10 2012 222 717 A1 beschrieben, ein solches Hydraulic Regenerative Braking bspw. in der DE 10 2010 020 004 A1 .
Aufgrund des direkten Durchgriffs der Bedienelemente auf die Stellgrößen bei den genannten Verfahren ist eine Bedatung des Ansteuersystems daher nur im Kontext der gesamten Maschine möglich.
Es ist daher wünschenswert, eine Trennung von übergeordneter Maschine und Antrieb bzw. Antriebsstrang und so eine Bedatung des Antriebs ohne Maschine zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebs, welcher eine Antriebsmaschine, eine mit der Antriebsmaschine gekoppelte hydraulische Pumpe und einen über einen hydraulischen Arbeitskreis mit der hydraulischen Pumpe gekoppelten hydraulischen Motor aufweist. Dabei wird aus einem vorgegebenen Sollwert für wenigstens eine der Regelgrößen umfassend einen Druck im hydraulischen Arbeitskreis, eine Drehzahl der hydraulischen Pumpe und eine Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs im Zuge einer Vorsteuerung wenigstens eine von mehreren Stellgrößen des hydrostatischen Antriebs ermittelt und eingestellt. Zudem werden die übrigen Regelgrößen und/oder Stellgrößen automatisch nachgeführt.
Mit anderen Worten schafft die Erfindung also eine Möglichkeit, dass ein Bediener nicht mehr jede Stellgröße einzeln mittels eines Bedienelements vorgeben muss, sondern dass er direkt einen Sollwert (oder mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Sollwerte) für die bisher nicht direkt vorgebbaren Regelgrößen Druck im hydraulischen Arbeitskreis, Drehzahl der hydraulischen Pumpe oder eine Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs (insbesondere Drehwinkel, Drehzahl oder Drehmoment des hydraulischen Motors) vorgeben kann. Die zum Erreichen des vorgegebenen Sollwerts nötigen Stellgrößen werden von der Steuerung des Antriebs automatisch eingestellt bzw. nachgeführt. Davon wird wenigstens eine Stellgröße im Zuge einer Vorsteuerung ermittelt und eingestellt, und die anderen Stellgrößen und Regelgrößen ergeben sich automatisch im Zuge einer Regelung, d.h. werden automatisch nachgeführt.
Die Trennung in Vorsteuerung und Reglung hat den Vorteil, dass gezielt für jede vom Bediener vorgegebene Regelgröße eine oder mehrere passende Stellgrößen ausgesucht werden können, die vorgesteuert werden, um das erwünschte Ergebnis herbeizuführen. Auch können auf diese Weise mehrdeutige Lösungen vermieden werden, welche möglicherweise zu einer Instabilität der Regelung führen.
Dies ermöglicht eine Trennung (Kapselung, Information Hiding) in eine Domäne "Antriebssteuerung" und eine Domäne "Maschine / Fahrzeug", da die Steuerung des Antriebs alleine durch Vorgabe eines Sollwerts wenigstens einer Regelgröße erfolgen kann. Dieser Sollwert der wenigstens einen Regelgröße, also ein physikalischer Wert, stellt somit eine Schnittstelle zwischen den Domänen dar, welche für beide Domänen einfach verständlich ist. Ein direkter Durchgriff auf eine Stellgröße ist nicht mehr nötig.
Eine Bedatung des Antriebs bzw. des Antriebsstrangs ergibt sich somit im Wesentlichen aus den Daten der Komponenten des Antriebs. Darüber hinaus können wenige, bereits während der Projektierung bekannte Daten der Maschine berücksichtigt werden. Dadurch wird es möglich, den Antrieb separat, d.h. ohne Maschine, zu bedaten. Ein OEM kann somit in seiner Domäne "Fahrzeug" arbeiten, ohne die Bedatung des Antriebs zu beeinflussen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren realisiert ein unterschiedliches Verhalten des Antriebs ("Proportionales Verhalten", "Lastfühliges Verhalten") mit unveränderten Ansteuergeräten für die hydraulische Pumpe und den hydraulischen Motor. Damit werden auch Bestrebungen zur Reduktion der Varianz bei den elektrohydraulischen Komponenten unterstützt.
Vorzugsweise umfasst die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs einen Drehwinkel, eine Drehzahl oder ein Drehmoment des hydraulischen Motors. Alternativ kann der hydraulische Motor mit einem Fahrantrieb gekoppelt sein und die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs eine Fahrstrecke, eine Fahrgeschwindigkeit oder eine Zugkraft des Fahrantriebs umfassen. Diese auf einen Fahrantrieb bezogenen, abgeleiteten, Ausgabegrößen lassen sich unter Berücksichtigung von bspw. Getriebeübersetzung und Radumfang auf die direkten Ausgabegrößen des hydraulischen Motors umrechnen. Je nachdem ob der hydrostatische Antrieb zum Antrieb einer Maschine oder eines Fahrzeugs verwendet wird, kann so einfach durch Vorgabe eines Sollwerts einer benötigten Regelgröße, insbesondere einer für den spezifischen Betrieb der Maschine oder des Fahrzeugs benötigten Regelgröße, diese eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise wird dann von einer von dem hydrostatischen Antrieb angetriebenen Maschine oder einem von dem hydrostatischen Antrieb angetriebenen Fahrzeug bzw. von einem Steuerelement der- bzw. desselben (z.B. Steuergerät) ein Sollwert für die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs und/oder die Drehzahl der hydraulischen Pumpe vorgegeben. Dies kann bspw. über einen Bediener der Maschine oder des Fahrzeugs oder aber auch als Arbeitsauftrag geschehen.
Vorteilhafterweise wird über den hydrostatischen Antrieb, insbesondere unter Berücksichtigung von maximal zulässigem Druck, Wirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs, Zeitverhalten von Komponenten des hydrostatischen Antriebs und/oder Schutz von Komponenten des hydrostatischen Antriebs, ein Sollwert für den Druck im hydraulischen Arbeitskreis und/oder die Drehzahl der hydraulischen Pumpe vorgegeben. Der Druck im Arbeitskreis ist eine Regelgröße, die in erster Linie aufgrund der Spezifika des hydrostatischen Antriebs eingestellt oder verändert werden soll und keine direkte Auswirkung auf eine Maschine oder ein Fahrzeug hat. Daher kann dieser Druck direkt über den hydrostatischen Antrieb und unabhängig von einer Maschine oder einem Fahrzeug vorgegeben werden. Die Drehzahl der hydraulischen Pumpe kann zwar – wie oben erwähnt – über die Maschine oder das Fahrzeug vorgegeben werden. Sofern dies jedoch nicht erfolgt, bspw. weil es für eine vorgesehene Aufgabe nicht nötig ist, kann eine Vorgabe über den hydrostatischen Antrieb, bspw. im Hinblick auf eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs inkl. der Antriebsmaschine erfolgen.
Es ist von Vorteil, wenn die mehreren Stellgrößen des hydrostatischen Antriebs ein Drehmoment der Antriebsmaschine und/oder ein Fördervolumen der hydraulischen Maschine (bspw. indirekt durch einen Steuerdruck zum Verändern eines das Fördervolumen definierenden Elements, z.B. zum Ausschwenken einer Schrägscheibe der hydraulischen Pumpe oder bspw. direkt durch einen unterlagerten hydraulischen Lageregler) und/oder ein Schluckvolumen des hydraulischen Motors (bspw. indirekt durch einen Steuerdruck zum Verändern eines das Schluckvolumen definierenden Elements, z.B. zum Ausschwenken einer Schrägscheibe des hydraulischen Motors oder bspw. direkt durch einen unterlagerten hydraulischen Lageregler) umfassen. Bei diesen Stellgrößen handelt es sich um die üblichen Stellgrößen eines hydrostatischen Antriebs. Hierzu sein noch angemerkt, dass in den meisten Fällen jede dieser Stellgrößen Einfluss auf die Regelgrößen hat und daher meist alle dieser Stellgrößen entsprechend ermittelt und eingestellt werden.
Es ist besonders von Vorteil, wenn die Vorsteuerung eine Trajektorienplanung auf Grundlage des Sollwerts der wenigstens einen Regelgröße zur Ermittlung der Regelgrößen über eine Regelstrecke hinweg umfasst. Damit können die Vorgaben bzgl. der Regelgrößen in einen Zeitverlauf überführt werden, der dann über eine Regelstrecke umgesetzt werden kann.
Vorzugsweise umfasst die Vorsteuerung weiterhin ein dynamisches Streckenmodell zur Ermittlung der wenigstens einen Stellgröße aus den Regelgrößen über die Regelstrecke hinweg. Damit können die nötigen Stellgrößen besonders einfach auf die aktuellen Verhältnisse des hydrostatischen Antriebs eingestellt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Antriebsmaschine eine Brennkraftmaschine (bspw. einen Ottomotor, einen Dieselmotor oder einen Motor mit externer Wärmezufuhr), eine elektrische Maschine oder eine Strömungsmaschine (bspw. eine Turbine oder dergleichen). Ein erfindungsgemäßes Verfahren berücksichtigt ein Verhalten der Antriebsmaschine und ist somit offen und geeignet für alle Arten von Antriebsmaschinen, die ihrerseits zur Umsetzung einer Drehmomentanforderung angesteuert werden können. Damit ist das Verfahren insbesondere auch geeignet für Brennkraftmaschinen nach neusten Abgasnormen, die sich teilweise durch verzögerten Momentenaufbau auszeichnen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist weiterhin kompatibel und einfach kombinierbar mit elektrischen und mechanischen An-/Abtrieben, die sich zusätzlich in einer Vorrichtung, die von einem hydrostatischen Antrieb angetrieben wird, befinden. Eine Koordination konkurrierender Anforderungen kann bspw. auf Fahrzeugebene leicht verständlich durchgeführt werden. Weiterhin wird eine Realisierung von Hybriden oder Mehrkreissystemen unterstützt.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät für einen hydrostatischen Antrieb, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch einen hydrostatischen Antrieb, der für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Einbindung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Vorrichtung, die von einem hydrostatischen Antrieb angetrieben wird.
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 bis 8 zeigen die zeitlichen Verläufe von Regel- und Stellgrößen bei Vorgabe je eines Sollwerts einer Regelgröße bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist schematisch und beispielhaft ein hydrostatischer Antrieb 100 mit den zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten Komponenten dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird hier auf die Darstellung weiterer Komponenten verzichtet. Durch einen geschlossenen hydraulischen Arbeitskreis 140 ist eine verstellbare hydraulische Pumpe 120 mit einem verstellbaren hydraulischen Motor 130 verbunden.
Die hydraulische Pumpe 120 wird von einer Antriebsmaschine 110 angetrieben und der hydraulische Motor 130 wiederum treibt einen Fahrantrieb 150 an. In dem gezeigten Beispiel kann es sich bspw. um einen hydrostatischen Antrieb für ein Fahrzeug handeln. Bei Verwendung des hydrostatischen Antriebs für eine stationäre Maschine ist der Fahrantrieb 150 entsprechend durch eine andere geeignete Komponenten, bspw. ein Mahlwerk, ersetzt.
Die Antriebsmaschine 110 soll in diesem Beispiel nicht näher spezifiziert werden, aber mögliche Antriebsmaschinen sind Brennkraftmaschinen wie bspw. ein Internal Combustion Engine (ICE), d.h. Brennkraftmaschinen nach dem Diesel-, Otto- oder Seilinger-Prozess. Ebenso sind Motoren mit externer Wärmezufuhr denkbar. Anstelle einer Brennkraftmaschine kann auch eine elektrische Maschine oder eine Strömungsmaschine (Turbine) eingesetzt werden.
Die Antriebsmaschine 110 kann die hydraulische Pumpe 120 entweder direkt oder durch ein Getriebe antreiben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist sowohl bei offenen als auch bei geschlossenen hydraulischen Kreisläufen, wie in 1 gezeigt, einsetzbar. Es ist außerdem auch bei Konstantmotoren oder Schaltmotoren und nicht nur bei verstellbaren hydraulischen Motoren, wie in 1 gezeigt, einsetzbar.
Die für ein erfindungsgemäßes Verfahren relevanten Regelgrößen sind der Duck p_H im hydraulischen Arbeitskreis, die Drehzahl n_P der hydraulischen Pumpe sowie eine Ausgangsgröße des hydrostatischen Antriebs. Bei dieser Ausgangsgröße kann es sich entweder um eine Ausgangsgröße des hydraulischen Motors handeln oder aber auch um eine Größe des Fahrantriebs, falls ein solcher vorgesehen ist.
Im Falle direkter Ausgangsgrößen am hydraulischen Motor ist die relevante Regelgröße eine der Größen Drehwinkel φ_M, Drehzahl n_M und Drehmoment M_M des hydraulischen Motors. Hierzu sei angemerkt, dass jeweils nur eine dieser drei Größen als Regelgröße in Betracht kommt, die beiden anderen ergeben sich entsprechend von selbst.
Im Falle abgeleiteter Ausgangsgrößen bei einem Fahrantrieb ist die relevante Regelgröße eine der Größen Fahrstrecke s_veh, Fahrgeschwindigkeit v_veh und Zugkraft F_Z des Fahrantriebs. Ebenso kommt hier jeweils nur eine dieser drei Größen als Regelgröße in Betracht. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass diese drei Größen sich bspw. unter Berücksichtigung von Getriebeübersetzung und Radumfang in die drei zuvor genannten Größen umrechnen lassen.
Die für ein erfindungsgemäßes Verfahren relevanten Stellgrößen sind ein Drehmoment M_M,St der Antriebsmaschine, ein Steuerdruck p_P,St zum Verändern des Fördervolumens (hier z.B. durch Ausschwenken einer Schrägscheibe der hydraulischen Pumpe, entspricht also einem Fördervolumen der hydraulischen Pumpe) sowie ein Schluckvolumen V_M,St des hydraulischen Motors. Die Vorgabe des Fördervolumens der Pumpe bzw. des Schluckvolumens des hydraulischen Motors kann dabei jeweils auf verschiedene Arten (bspw. direkt durch Lagevorgabe oder indirekt durch Druckvorgabe) erfolgen, wie oben bereits erwähnt.
In 2 ist nun in einem Blockschaltbild eine Einbindung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Vorrichtung, beispielhaft ein Fahrzeug, das von einem hydrostatischen Antrieb angetrieben wird, dargestellt. Dabei können zwei Domänen Fahrzeug 210 und Antrieb 220 unterschieden werden.
In der Domäne Fahrzeug 210 werden Fahrzeugfunktionen 211 eingestellt oder vorgegeben, bspw. durch einen Bediener oder Sicherheitssysteme. In der Domäne Antrieb 220 werden Daten 221 für den Antriebsstrang bzw. den hydrostatischen Antrieb eingestellt und/oder vorgegeben. Weiterhin wird in der Domäne Antrieb 220 eine Vorsteuerung 225 durchgeführt, mittels welcher aus vorgegebenen Regelgrößen Stellgrößen ermittelt werden. Zur Funktionsweise der Vorsteuerung sei an dieser Stelle auf 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Von der Vorsteuerung 225 werden anschließend die Stellgrößen an den hydraulischen Antrieb 100 übergeben bzw. dort eingestellt.
Die von den Fahrzeugfunktionen 211 vorgebbaren Regelgrößen umfassen dabei Drehwinkel φ_M, Drehzahl n_M und Drehmoment M_M (oder aber auch entsprechend Fahrstrecke s_veh, Fahrgeschwindigkeit v_veh und Zugkraft F_Z) sowie die Drehzahl n_P.
Die Daten 221 für den hydrostatischen Antrieb umfassen dabei den Druck p_H im hydraulischen Arbeitskreis. Dabei finden insbesondere Spezifika des hydrostatischen Antriebs Berücksichtigung wie bspw. Schutz der einzelnen Komponenten des Antriebs, ein maximal zulässiger Druck im Arbeitskreis, ein Wirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs oder ein Zeitverhalten der Komponenten. Außerdem kann hier auch die Drehzahl n_P der hydraulischen Pumpe vorgegeben werden, sofern keine Anforderung hierfür durch die Fahrzeugfunktionen vorliegt. In diesem Fall kann bspw. eine Optimierung hinsichtlich eines Gesamtwirkungsgrads des hydrostatischen Antriebs inkl. der Antriebsmaschine vorgenommen werden.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere eine Vorsteuerung, gezeigt. Zunächst werden aus den Regelgrößen Duck p_H, Drehzahl n_P sowie einer der Größen Drehwinkel φ_M, Drehzahl n_M und Drehmoment M_M im Rahmen einer Trajektorienplanung 310 gefilterte Sollwerte y sowie deren Zeitableitung ẏ, ÿ, ... erster und höherer Ordnungen ermittelt. Die zu verwendenden Ordnungen hängen vom gewähltem Modell der Regelstrecke ab. Wenigstens eine der Regelgrößen wird dabei als Sollgröße vorgegeben, die anderen werden dann entsprechend automatisch angepasst bzw. nachgeführt. Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, dass anstelle der drei Größen Drehwinkel φ_M, Drehzahl n_M und Drehmoment M_M je nach Anwendungsfall auch die drei Größen Fahrstrecke s_veh, Fahrgeschwindigkeit v_veh und Zugkraft F_Z verwendet werden können.
Im Allgemeinen können die Sollgrößen aus den Fahrzeugfunktionen bzw. den Daten für den hydrostatischen Antrieb einen beliebigen Zeitverlauf, insbesondere auch Sprünge aufweisen. Die Trajektorienplanung 310 überführt die Vorgaben in einen Zeitverlauf, der durch die Strecke umgesetzt werden kann. Für die Trajektorienplanung 310 kommen vorzugsweise Tiefpassfilter zum Einsatz, deren Ordnung sich an den Ordnungen der benötigten Zeitableitungen der Filtergröße orientiert.
Im weiteren Verlauf werden aus den gefilterten Sollwerten bzw. Zeitableitungen y, ẏ und ÿ im Rahmen eines dynamischen Streckenmodells 320 die Stellgrößen Drehmoment M_A,St, Steuerdruck p_P,St sowie Schluckvolumen V_St ermittelt.
Die Herleitung des dynamischen Streckenmodells geschieht bspw. aus einem physikalisch basierten Differentialgleichungssystem des Antriebsstrangs. Dabei wird für den Antriebsstrang ein Differentialgleichungssystem folgender Form aufgestellt: ẋ = f(x, u), y = g(x, u) mit u als Vektor der Stellgrößen, x als Vektor der Zustandsgrößen und y als Vektor der Regelgrößen.
Das gewählte Differentialgleichungssystem muss dabei die Systemeigenschaft der sog. "Flachheit" erfüllen. Dann kann das Differentialgleichungssystem bspw. in eine Darstellung gemäß folgender Gleichung transformiert werden: u = h(y, ẏ, ÿ, ...).
Die Vektorfunktion h ist dabei eine Implementierung des oben erwähnten dynamischen Streckemodells 230. Wie bereits oben erwähnt, ergeben sich die Ordnungen der Ableitung der gefilterten Sollwerte y in Abhängigkeit vom verwendeten Modell.
Für den beispielhaften Antriebsstrang stellt sich das Differentialgleichungssystem wie folgt dar:
Hydraulischer Motor: V ._M,St = f₁(V_M, V_M,St, p_H) ṅ_M = f₂(M_M, M_ZM) φ ._M = f₃(n_M). Hydraulische Pumpe: V ._P = f₄(V_P, n_P, p_H, p_P,St) ṅ_P = f₅(M_P, M_A, M_ZP). Druck im Arbeitskreis: ṗ_H = f_6,1(p_H, V_P, n_P, V_M, n_M, q_Z) p_H = f_6,2(V_P, n_P, V_M, n_M, q_Z). und Drehmoment der Antriebsmaschine: Ṁ_A = f₇(M_A, M_A,St).
Für den Druck im Arbeitskreis gibt es zwei alternative Modellierungen. Bei kurzen, steifen Arbeitsleitungen ist das Zeitverhalten des Drucks sehr viel schneller als bspw. die Stellzeiten der Hydraulik-Komponenten. Dann kann der Druck im Arbeitskreis analytisch nach f_6,2 beschrieben werden. Ist aber das Zeitverhalten des Drucks im Arbeitskreis in der gleichen Größenordnung oder größer als das Zeitverhalten der anderen Komponenten (bspw. durch einen Speicher), so ist die Modellierung f_6,1 zu wählen.
Die Vorsteuerung kann durch Berücksichtigung von Störgrößen, die auf den Antrieb einwirken, verbessert werden. Diese Optionen sind M_ZP (zusätzliches Lastmoment an der hydraulischen Pumpe, bspw. Zapfwellen), M_ZM (Fahrwiderstand) und q_Z (Leckage im Arbeitskreis). Diese und weitere Größen können durch Messung oder Berechnung ermittelt werden und in die Berechnung der Vorsteuerwerte einfließen.
Neben einer physikalisch basierten Modellierung des Antriebsstrangs ist auch eine datenbasierte Modellierung möglich. Beispiele dafür sind Übertragungsfunktionen (Polynome) aus einer Streckenidentifikation oder auch auf neuronalen Netzen basierende Modelle.
In den 4 bis 8 sind Beispiele für Verläufe von Regelgrößen (jeweils in Teil (a) der Figur) und Stellgrößen (jeweils in Teil (b) der Figur) über der Zeit t bei Vorgabe je eines Sollwerts einer Regelgröße bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dabei sind bei der Regelgröße Sollwerte und Istwerte mit Indizes "soll" bzw. "ist" und bei den Stellgrößen mit Indizes "St" bzw. "ist" gezeigt.
Die Hochwertachsen zeigen dabei Weg s in m, Drehmoment M in Nm, Drehzahl n in 1/min, Druck p in bar und Schluckvolumen V in cm³.
Zum einfacheren Verständnis zeigen die Beispiele das Führungsverhalten bei Änderung jeweils eines Sollwerts einer Regelgröße, die beiden weiteren Sollwerte der Regelgrößen bleiben jeweils unverändert. Deutlich wird dabei, dass zur Umsetzung dieser Vorgaben in der Regel eine Änderung aller drei Stellgrößen nötig ist. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Regelstrecke (Antriebsstrang) den Sollwerten quasi ideal folgt (bei den konstanten Sollwerten ist in diesem Zusammenhang auch die Skalierung der Hochwertachse zu beachten). In der Praxis treten Änderungen der Sollwerte auch gleichzeitig auf, bspw. können ein höheres Drehmoment am hydraulischen Motor und gleichzeitig ein höherer Druck im Arbeitskreis gefordert werden. Auch dies kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden.
In 4 ist das Führungsverhalten bei Vorgabe einer Fahrstrecke s_veh gezeigt. Mögliche Anwendungen sind bspw. die Agrartechnik oder der Materialumschlag. Beim Ernteeinsatz wird der Kornspeicher von Mähdreschern während der Arbeitsfahrt in einen nebenher fahrenden Hänger (von einem Traktor gezogen) entladen. Um dabei den Hänger möglichst gleichmäßig zu beladen muss die relative Position von Mähdreschern und Traktor variiert werden. Dieser Anwendungsfall lässt sich auf die Steuerung einer Fahrstrecke abbilden.
Beim Löschen von Containerschiffen müssen die Containertransporter an genau vorgegebener Position den Container entgegen nehmen. Ein Spreader des Krans setzt gleichzeitig bspw. vier Container auf den entsprechend positionierten Transportern ab. Das Anfahren der Transporter auf diese Position lässt sich ebenfalls auf die genzeigte Weise realisieren.
In 5 ist das Führungsverhalten bei Vorgabe einer Drehzahl n_M des hydraulischen Motors gezeigt. Mögliche Anwendungen sind Flughafengeräte, Baumaschinen oder die Agrartechnik. Maschinen des GSE (Ground Support Equipment) werden auf dem Vorfeld und teilweise auch innerhalb der Terminals eingesetzt. Im Terminal muss aus Sicherheitsgründen eine reduzierte Höchstgeschwindigkeit eingehalten werden. Die Einfahrt und Ausfahrt in diese Sicherheitsbereiche kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren realisiert werden.
Die Mahlwerke von Steinbrechern werden abhängig vom Brechgut usw. Drehzahlgeführt. Beim Wechsel der Drehzahlvorgabe kann die Vorsteuerung eingesetzt werden.
Teleskoplader sind teilweise mit Shift-on-Fly-Getrieben ausgerüstet. Beim Schaltvorgang wird der hydraulische Motor (Primärwelle) von der Sekundärwelle getrennt und mit einem neuen Übersetzungsverhältnis wieder eingekuppelt. Dazu ist eine Synchronisation der Drehzahlen notwendig. Das kann einfach durch die gezeigte Drehzahlführung abgebildet werden.
In 6 ist das Führungsverhalten bei Vorgabe eines Drehmoments M_M des hydraulischen Motors gezeigt. Mögliche Anwendungen sind Baumaschinen oder Kommunal- und Kehrmaschinen. Ein wesentliches Kriterium für einen Radlader ist bspw. die kontrollierbare Umsetzung der Vortriebskraft. Der Fahrer benötigt eine Rückmeldung der Maschine über die gerade auftretenden Widerstände. Diese Anforderungen sind ideal zu lösen durch die Interpretation des Fahrpedals als Zugkraftanforderung sowie einer Umsetzung der selbigen durch ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Kommunal- und Kehrmaschinen sollen eine immer höhere Fahrgeschwindigkeit aufweisen und benötigen deshalb Bremsregelsysteme. Beim Eingriff eines Bremsregelsystems (ESP) zur Stabilisierung des Fahrzeugs muss der Fahrantrieb ein vorgegebenes Antriebsmoment umsetzen. Diese Anwendung entspricht dem gezeigten Fall.
In 7 ist das Führungsverhalten bei Vorgabe bzw. Änderung eines Drucks p_H im Arbeitskreis gezeigt. Dieses Konzept ist allgemein anwendbar. Der Druck bzw. Hochdruck im Arbeitskreis soll geführt werden, um bspw. einen Komponentenschutz zu realisieren, den optimalen Wirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs einzustellen oder bei einer Sekundärregelung den nötigen Arbeitsdruck bereit zu stellen.
In 8 ist das Führungsverhalten bei Vorgabe bzw. Änderung einer Drehzahl n_P der hydraulischen Pumpe (bzw. der damit gekoppelten Antriebsmaschine) gezeigt. Mögliche Anwendungen sind dabei die Agrartechnik oder der Materialumschlag. Land- und Kommunalmaschinen sind häufig mit mechanischen Zapfwellen zum Antrieb von Anbaugeräten oder gezogenen Arbeitsmaschinen ausgestattet. Die Zapfwelle weist ein festes oder in wenigen Stufen änderbares Übersetzungsverhältnis zur Antriebsmaschine (üblicherweise eine Brennkraftmaschine) auf. Um ein gewünschtes Arbeitsergebnis zu erzielen muss eine genaue Drehzahl eingestellt werden. Dies ist einfach durch den gezeigten Algorithmus abzubilden.
Gabelstapler sind typischerweise mit Konstantpumpen (Zahnradpumpen) für die Arbeitshydraulik ausgerüstet. Um eine schnelle Arbeitsbewegung, bspw. ein Heben der Last, zu erreichen, muss die Drehzahl der Antriebsmaschine dynamisch angepasst werden. Der gezeigte Algorithmus leistet das auf ideale Weise ohne den Fahrantrieb zu beeinflussen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010020004 A1 [0003, 0006]
DE 102012222717 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebs (100), welcher eine Antriebsmaschine (110), eine mit der Antriebsmaschine (110) gekoppelte hydraulische Pumpe (120) und einen über einen hydraulischen Arbeitskreis (140) mit der hydraulischen Pumpe (120) gekoppelten hydraulischen Motor (130) aufweist, wobei aus einem vorgegebenen Sollwert für wenigstens eine der Regelgrößen umfassend einen Druck (p_H) im hydraulischen Arbeitskreis (140), eine Drehzahl (n_P) der hydraulischen Pumpe (120) und eine Ausgabegröße (φ_M, n_M, M_M, s_veh, v_veh, F_Z) des hydrostatischen Antriebs (100) im Zuge einer Vorsteuerung (225) wenigstens eine von mehreren Stellgrößen (M_A,St, p_P,St, V_M,St) des hydrostatischen Antriebs (100) ermittelt und eingestellt wird, und wobei die übrigen Regelgrößen und/oder Stellgrößen automatisch nachgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs einen Drehwinkel (φ_M), eine Drehzahl (n_M) oder ein Drehmoment (M_M) des hydraulischen Motors (130) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der hydraulische Motor (130) mit einem Fahrantrieb (150) gekoppelt ist und wobei die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs (100) eine Fahrstrecke (s_veh), eine Fahrgeschwindigkeit (v_veh) oder eine Zugkraft (F_Z) des Fahrantriebs (150) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von einer von dem hydrostatischen Antrieb (100) angetriebenen Maschine oder einem von dem hydrostatischen Antrieb (100) angetriebenen Fahrzeug ein Sollwert für die Ausgabegröße des hydrostatischen Antriebs (100) und/oder die Drehzahl (n_P) der hydraulischen Pumpe (120) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei über den hydrostatischen Antrieb (100), insbesondere unter Berücksichtigung von maximal zulässigem Druck, Wirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs, Zeitverhalten von Komponenten des hydrostatischen Antriebs und/oder Schutz von Komponenten des hydrostatischen Antriebs, ein Sollwert für den Druck (n_H) im hydraulischen Arbeitskreis (140) und/oder die Drehzahl (n_P) der hydraulischen Pumpe (120) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mehreren Stellgrößen des hydrostatischen Antriebs (100) ein Drehmoment (M_M,St) der Antriebsmaschine (110) und/oder ein Fördervolumen der hydraulischen Pumpe (120) oder einen Steuerdruck (p_P,St) für die hydraulische Pumpe (p_P,St) und/oder ein Schluckvolumen (V_M,St) des hydraulischen Motors (130) oder einen Steuerdruck für den hydraulischen Motor umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorsteuerung (225) eine Trajektorienplanung (310) auf Grundlage des Sollwerts der wenigstens einen Regelgröße zur Ermittlung der Regelgrößen über eine Regelstrecke hinweg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Vorsteuerung (225) weiterhin ein dynamisches Streckenmodell (320) zur Ermittlung der wenigstens einen Stellgröße aus den Regelgrößen über die Regelstrecke hinweg umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmaschine (110) eine Brennkraftmaschine, eine elektrische Maschine oder eine Strömungsmaschine umfasst.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.