DE102020205223A1

DE102020205223A1 - Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebes

Info

Publication number: DE102020205223A1
Application number: DE102020205223.9A
Authority: DE
Inventors: Adrian Trachte; Michael Hilsch; Steffen Mutschler; Norman Brix; Amadeus Lobe; Patrik Zips; Paul Zeman
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebes, der eine primär antreibbare erste Hydromaschine mit verstellbarem ersten Verdrängungsvolumen und eine mit dieser in offenem oder geschlossenem hydraulischen Kreis angeordnete zweite Hydromaschine mit verstellbarem zweiten Verdrängungsvolumen hat, und der eine Steuereinheit mit einem darin abgelegten dynamischen Modell des Fahrantriebes hat, das einen Eingang für wenigstens eine Führungsgröße aus möglichen Regelgrößen des Fahrantriebs und Ausgänge für Solltrajektorien zumindest von Stellgrößen des Fahrantriebs hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer hydrostatischer Fahrantrieb hat eine antreibbare erste Hydromaschine mit verstellbarem ersten Verdrängungsvolumen und wenigstens eine mit dieser in offenem oder geschlossenem hydraulischen Kreis angeordnete, mit einem Abtrieb koppelbare, zweite Hydromaschine mit verstellbarem zweiten Verdrängungsvolumen. In einer Steuereinheit ist ein dynamisches Modell des Fahrantriebes abgelegt, das einen Eingang für wenigstens eine Führungsgröße aus möglichen Steuergrößen des Fahrantriebs und Ausgänge für Solltrajektorien, zumindest von Stellgrößen, des Fahrantriebs hat.
Einen derartigen Fahrantrieb zeigt die Druckschrift DE 10 2014 224 337 A1 der Anmelderin. Die Steuerung erfolgt dabei durch Vorgabe eines Sollwertes der Führungsgröße, insbesondere eines Momentes des Abtriebs. In Abhängigkeit des Sollwertes werden auf Basis des Modells über die Steuereinheit Solltrajektorien der Stellgrößen zum Erreichen des Sollwertes geplant. Anhand der Solltrajektorien erfolgt dann die Ansteuerung der Stellelemente des Fahrantriebs.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Steuerung des Fahrantriebes zu schaffen, mit dem eine Verlustleistung verringert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 14 beschrieben.
Ein Verfahren ist zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebes vorgesehen. Dieser hat eine primär antreibbare, insbesondere mit einer Antriebsmaschine koppelbare, insbesondere gekoppelte, erste Hydromaschine mit verstellbarem ersten Verdrängungsvolumen. Vorzugsweise handelt es sich um eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise mit einem ersten Stellzylinder zur Verstellung. Mit dieser in offenem oder geschlossenem hydraulischen Kreis angeordnet, hat der Fahrantrieb eine, insbesondere mit einem Abtrieb koppelbare, zweite Hydromaschine mit verstellbarem zweiten Verdrängungsvolumen. Vorzugsweise ist diese als Axialkolbenmotor in Schrägachsenbauweise mit einem zweiten Stellzylinder zur Verstellung ausgestaltet. Des Weiteren hat der Fahrantrieb eine Steuereinheit mit einem darin abgelegten dynamischen, insbesondere reduzierten, Modell des Fahrantriebes. Insbesondere ist das Modell auch invertiert abgelegt. Das Modell hat einen Eingang für wenigstens eine Führungsgröße aus möglichen Regelgrößen des Fahrantriebes und Ausgänge für Solltrajektorien zumindest von Stellgrößen des Fahrantriebes. Dabei sind mehr Ausgänge für die Solltrajektorien von Stellgrößen als Eingänge für Führungsgrößen vorgesehen, woraus sich für die Steuerung ein Freiheitsgrad ergibt. Das Verfahren hat die Schritte „Eingeben eines Sollwertes der wenigstens einen Führungsgröße in die Steuereinheit“, „modellbasiertes Planen der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße über die Steuereinheit“, und „flachheitsbasiertes Vorsteuern der Stellgrößen in Abhängigkeit der Solltrajektorien und des invertierten Modells über die Steuereinheit“. Erfindungsgemäß wird dabei der genannte Freiheitsgrad dafür genutzt, die Solltrajektorien wirkungsgradoptimiert, also mit minimierter Verlustleistung, zu planen.
Somit ist ein Verfahren geschaffen, mit dem die Steuerung des Fahrantriebes mit verringerter Verlustleistung erfolgen kann.
In einer Weiterbildung ist in der Steuereinheit oder im Modell ein jeweiliges Kennfeld des Wirkungsgrades der beiden Hydromaschinen in Abhängigkeit von der jeweiligen Druckdifferenz über die Hydromaschine und des jeweiligen Verdrängungsvolumens oder einer daran gekoppelten Größe, insbesondere Stellgröße, vorgesehen.
Die angetriebene erste Hydromaschine wandelt im Zugbetrieb mechanische in hydraulische, die zweite Hydromaschine wandelt auf der Abtriebsseite hydraulische in mechanische Leistung. Die Leistungswandlung erfolgt im Schleppbetrieb umgekehrt, sodass durch die zweite Hydromaschine auf der Abtriebsseite gebremst wird.
Zur Absicherung gegen zu hohe Drücke, kann der hydraulische Kreis über wenigstens ein Druckbegrenzungsventil pro Hochdruckseite abgesichert sein.
Um den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs zu erhöhen, ist der Fahrantrieb in einer Weiterbildung leistungsverzweigt, wobei parallel zum hydrostatischen Leistungspfad aus erster und zweiter Hydromaschine ein mechanischer Leistungspfad installiert ist.
Die erste und zweite Hydromaschine sind separat und/oder gekoppelt verstellbar ausgestaltet.
Es ergibt sich eine zu einem Druckmittelvolumenstrom des Kreises proportionale Drehzahl an der zweiten Hydromaschine.
Ein Hochdruck stellt sich entsprechend einem Moment oder Lastmoment ein und ist nach oben durch das oder die Druckbegrenzungsventile begrenzt.
In einer Weiterbildung wird die eine oder werden die mehreren Stellgrößen mittels der Lösung eines dynamischen Optimierungsproblems berechnet.
Diese Berechnung erfolgt insbesondere mittels einer Lagrangschen Dichte in Abhängigkeit der Dynamik des Fahrantriebs und zyklisch ermittelter Zustände oder Anfangszustände des Fahrantriebes.
Das Modell enthält in einer Weiterbildung auf die jeweilige Verstellung wirkende Stell- und Rückstellkräfte, sowie den Stellkräften zugrundeliegende Ansteuerströme und den Rückstellkräften zugrundeliegende hydrostatische Kräfte und/oder Federkräfte.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die oben genannte Berechnung zudem in Abhängigkeit von wenigstens einer Beschränkung oder Systemgrenze, insbesondere eines zulässigen Grenzwertes, des Fahrantriebs. Es handelt sich dabei insbesondere um Stell- und Zustandsgrößenbeschränkungen.
Dann hat das Modell einen Eingang für wenigstens eine solche Beschränkung oder Systemgrenze und das Verfahren ist um den Schritt „Eingeben eines Grenzwertes der wenigstens einen Systemgrenze in die Steuereinheit“ ergänzt, wobei der Schritt „modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße über die Steuereinheit“ dann auch in Abhängigkeit des wenigstens einen Grenzwertes erfolgen kann.
Das Verfahren weist in einer Weiterbildung einen Schritt auf, über den aus den Solltrajektorien der Stellgrößen Ansteuerströme für - den Solltrajektorien zugeordnete - Stellvorrichtungen, die insbesondere zur Verstellung des jeweiligen Verdrängungsvolumens dienen, ermittelt werden. Dieser Schritt erfolgt vorzugsweise über eine Servokompensation.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist momentenbasiertes Fahren erwünscht, weshalb das Verfahren als Führungsgröße ein Sollmoment wenigstens einer der Hydromaschinen, insbesondere der wenigstens einen zweiten Hydromaschine, aufweist.
In einer Weiterbildung ist der wenigstens eine Grenzwert ein maximaler Stellweg, Stellwinkel oder Ansteuerstrom einer Verstelleinrichtung wenigstens einer der Hydromaschinen, insbesondere der zweiten Hydromaschine, oder ein Hochdruck oder Stelldruck des Fahrantriebes. Kombinationen mehrerer Grenzwerte sind möglich.
In einer Weiterbildung umfassen die Solltrajektorien von wenigstens einer der Hydromaschinen, insbesondere von der zweiten Hydromaschine, einen Hochdruck oder eine aus dem Hochdruck gebildete Druckdifferenz über die betreffende Hydromaschine, sowie eine mit dem Verdrängungsvolumen gekoppelte Größe. Diese ist beispielsweise ein Schwenkwinkel der Schrägscheibe oder der Schrägachse oder ein Stellweg oder eine Stellposition eines zum Verstellen des Verdrängungsvolumens vorgesehenen Stellzylinders sein.
Um eine Regelung unterlagern zu können, weist in einer Weiterbildung der Fahrantrieb wenigstens eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Istwertes wenigstens einer der Regelgrößen auf. Demgemäß hat das Verfahren in einer Weiterbildung einen Schritt „Erfassen des Istwertes wenigstens einer der Regelgrößen, über die wenigstens eine Erfassungseinheit“.
Um nicht direkt erfassbare oder nur mit erheblichem Aufwand erfassbare Istwerte zu ermitteln, beispielsweise den oben genannten Stellweg oder Stellwinkel, ist in einer Weiterbildung des Fahrantrieb in der Steuereinheit wenigstens ein Beobachter zur Abschätzung eines Istwertes wenigstens einer der Stellgrößen vorgesehen. Das Verfahren weist dann demgemäß einen Schritt „Abschätzen des Istwertes wenigstens einer der Stellgrößen, über den Beobachter“ auf.
In einer Weiterbildung hat das Verfahren einen Schritt „Ermitteln eines Zustands des Fahrantriebes in Abhängigkeit des wenigstens einen erfassten Istwertes und des wenigstens einen abgeschätzten Istwertes über die Steuereinheit“. Dieser findet jeweils zu ersten Abtastzeitpunkten insbesondere zyklisch, statt.
Der Zustand beinhaltet vorzugsweise den erfassten Istwert der Regelgröße Hochdruck oder Druckdifferenz und die von den Beobachtern abgeschätzten Stellgrößen Stellweg oder Stellhub der Stellzylinder der beiden Hydromaschinen.
In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße über die Steuereinheit“ ausgehend vom ermittelten Zustand, jeweils prädiktiv und jeweils für einen ersten Zeithorizont.
Um die Istwerte den Sollwerten möglichst genau nachzuführen, ist in einer Weiterbildung dem Schritt „modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße über die Steuereinheit“ ein Schritt „Regeln wenigstens einer der Regelgrößen in Abhängigkeit von deren Sollwert und des erfassten Istwertes über die Steuereinheit“ unterlagert.
Die Regelung sorgt dafür, dass den Soltrajektorien robust gefolgt wird. Dafür werden alle Zustände und Eingänge durch die flachen Ausgänge und deren Zeitableitungen parametriert. Der Hochdruck oder die Druckdifferenz wird geregelt, da dieser oder diese erfasst zur Verfügung steht. Für den Stellweg oder die Stellposition der zweiten Hydromaschine wird eine Steuerung verwendet, weil keine Messgröße zur Verfügung steht und ein trivialer Beobachter dem gesteuerten Wert exakt genug folgt.
Der Schritt „Regeln wenigstens einer der Regelgrößen in Abhängigkeit von deren Sollwert und des erfassten Istwertes über die Steuereinheit“ erfolgt dabei zu zweiten Abtastzeitpunkten mit gleichem zeitlichen Abstand wie ihn die ersten Abtastzeitpunkte aufweisen, oder häufiger, insbesondere zyklisch. So ist der Rechenaufwand für eine Planung in Echtzeit verringert.
Die Anmelderin behält sich vor, einen Anspruch oder ein Patentbegehren auf einen hydrostatischen Antrieb oder Fahrantrieb gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung zu richten.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebes,
2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und zur Regelung im geschlossenen Kreis des Fahrantriebes gemäß 1, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figure 3 Diagramme eines Wirkungsgrades der ersten und der zweiten Hydromaschine in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über die jeweilige Hydromaschine und der Stellung ihres Stellzylinders,
4 einen Soll- und einen Ist-Verlauf eines Momentes der zweiten Hydromaschine gemäß 1 unter Verwendung des Verfahrens gemäß 2,
5 bis 7 je eine Trajektorie eines Initialreglers im Vergleich mit der zugehörigen, erfindungsgemäß optimierten Solltrajektorie, jeweils von einer Druckdifferenz der zweiten Hydromaschine, einem Stellwinkel der ersten Hydromaschine und einem Stellwinkel der zweiten Hydromaschine, und
8 Verlustleistungen der Hydromaschinen bei Verwendung nur des Initialreglers im Vergleich zu den Verlustleistungen bei Verwendung des Verfahrens gemäß 2.

Ein hydrostatischer Fahrantrieb 1 gemäß 1 ist in seinem Grundaufbau hinreichend aus dem Stand der Technik, insbesondere demjenigen der Anmelderin, bekannt, sodass sich die folgenden Erläuterungen auf die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Aspekte beschränkt.
Gemäß 1 hat erfindungsgemäßer Fahrantrieb 1 eine erste Hydromaschine 2 (im Folgenden Pumpe), die im Ausführungsbeispiel als Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgeführt ist. Die Pumpe 2 ist im Ausführungsbeispiel mit einer Energie und/ oder Drehmomentquelle gekoppelt (nicht dargestellt), die beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine, als Elektromaschine oder als hydrostatischer Druckspeicher ausgebildet sein kann. Von dieser Energiequelle ist die Pumpe 2 antreibbar. Die Pumpe 2 hat einen doppeltwirkenden Stellzylinder 4, dessen Stellkolben 6 als Aktor mit einer Schwenkwiege (nicht dargestellt) der Pumpe 2 gekoppelt ist. Jedem Druckmittelraum 8a, 8b ist ein im Ausführungsbeispiel als Druckregelventil ausgestaltet elektromagnetisch betätigbares Steuerventil 10a, 10b zugeordnet. Diese reduzieren jeweils einen Stelldruck eines Stelldruckmittels einer gesonderten Stelldruckmittelquelle (nicht dargestellt) und beaufschlagen die einander entgegenwirkenden Druckmittelräume 8a, 8b, was zu einem ersten Stellweg des Stellzylinders 4, genauer gesagt des Stellkolbens 6, und aufgrund der Kopplung mit der Schwenkwiege, zum ersten Verdrängungsvolumen führt. Aufgrund einer Verdrillung einer Steuerscheibe (nicht dargestellt) der Pumpe 2 greift der Hochdruck im hydraulischen Kreis verstellend an der Schwenkwiege der Pumpe 2, in Richtung seiner eigenen Abschwächung, an. Diese Art der Steuerung des ersten Verdrängungsvolumens wird seitens der Anmelderin als ET-Verstellung bezeichnet und ist aus dem Stand der Technik bereits hinreichend bekannt, sodass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Des Weiteren hat der Fahrantrieb 1 wenigstens eine zweite Hydromaschine 12 (im Folgenden Motor), die im Ausführungsbeispiel als Axialkolbenmotor in Schrägachsenbauweise ausgeführt ist. Der Motor 12 ist im Ausführungsbeispiel mit einem Abtrieb, insbesondere einem Rad oder einer Achse gekoppelt (nicht dargestellt), an das oder die er im Zugbetrieb Drehmoment überträgt und von dem oder der er im Schleppbetrieb Drehmoment aufnimmt. Der Motor 12 hat im Ausführungsbeispiel einen Differentialzylinder als Stellzylinder 14, dessen Stellkolben 16 als Aktor mit einer Schwenklinse (nicht dargestellt) des Motors 12 gekoppelt ist. Ein Ringraum 18a des Stellzylinders 14 ist mit dem Hochdruck p_HD des hydraulischen Kreises beaufschlagt. Ein Bodenraum 18b des Stellzylinders 14 wird mit einem Stelldruckmittel beschickt, dass über ein elektromagnetisch und proportional betätigbares Steuerventil 20 Druckmittel der Hochdruckseite des Kreises von dessen Druck p_HD auf einen Stelldruck P_SM reduziert. Ein zweiter Stellweg x_P des Stellzylinders 14, genauer gesagt des Stellkolbens 16, stellt sich dann bei Kräftegleichgewicht am Stellkolben 16 ein, woraus aufgrund von dessen Kopplung mit der Schwenklinse, das zweite Verdrängungsvolumen V_M resultiert. Diese Steuerung des zweiten Verdrängungsvolumens V_M wird seitens der Anmelderin als EP-Verstellung bezeichnet.
Die Pumpe 2 und der Motor 12 sind im geschlossenen hydraulischen Kreis über zwei Arbeitsleitungen 22 und 24 verbunden. Der so gebildete hydraulische Kreis ist über Druckreduzierventile gegen die Überschreitung eines maximal zulässigen Hochdrucks pmax abgesichert. Die Stellwege und damit die Verdrängungsvolumina der Pumpe 2 und des Motors 12 sind ebenfalls beschränkt oder begrenzt und stellen somit Systemgrenzen des Fahrantriebs 1 dar, die im Verfahren gemäß 2 Berücksichtigung finden.
Es folgt die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, anhand von 2. Dieses erlaubt es, Fahrerwunschmoment an der vom Motor 12 gemäß 1 angetrieben Achse einzuprägen. Dafür stehen als Stellgrößen die beiden Verdrängungsvolumina der Pumpe 2 und des Motors 12 zu Verfügung. Ein Aspekt der vom erfindungsgemäßen Verfahren abgebildeten Regelungsstrategie ist, dass eine auftretende Verlustleistung des Fahrantriebes 1 aus energetischer Sicht auf ein Minimum reduziert ist. Einen weiteren Aspekt der vom erfindungsgemäßen Verfahren abbildbaren Regelungsstrategie stellen die oben genannten Systemgrenzen, also Stell- und Zustandsgrößenbeschränkungen, dar, wobei ergänzend noch Beschränkungen der Ansteuerströme der Ventile 10a, 10b, 20 und auch von überlagerten Funktionen kommende Beschränkungen, beispielsweise zur Begrenzung der Fahrgeschwindigkeit, zu nennen sind.
2 zeigt einen das Ausführungsbeispiel des Verfahrens abbildenden Aufbau eines geschlossenen Regelkreises und damit einer Regelstrategie. Hierbei wird basierend auf einem extern vorgegebenen Sollmoment M_M mit einer optimierungsbasierten Solltrajektorienplanung 26 energieeffiziente Solltrajektorien x und Δp für die flachen Ausgänge des Systems geplant. Der Ausgang x repräsentiert dabei den Stellweg des Stellzylinders 14, der Ausgang Δp die Druckdifferenz zwischen den Arbeitsleitungen 22, 24. Diese Solltrajektorien x, Δp werden mit einer flachheitsbasierten Vorsteuerung und Regelung 28 zu u1, u2 stabilisiert. Diese virtuellen Ausgänge u1, u2 werden in Folge mit einer Servokompensation 30, die die Nichtlinearitäten des Fahrantriebs 1 berücksichtigt, in die Eingangsströme i_PA , i_PB , i_M zur Ansteuerung der Ventile 10a, 10b, 20, und damit zur Einstellung der beiden Schwenkwinkel α_P , α_M der Pumpe 2 und des Motors 12, umgerechnet. Für beide nicht messbaren Schwenkwinkel α_P , α_M wird ein Beobachter 32 verwendet. Im Weiteren werden die einzelnen Blöcke detaillierter beschrieben. Die Grundlage für alle Blöcke bildet eine mathematische Modellierung des Fahrantriebs, die jedoch nicht tiefergehend beschrieben werden soll.
Die Grundlage der Regelungsstrategie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein mathematisches Modell des Fahrantriebes 1. Dieses bildet die wesentlichen dynamischen Vorgänge des Fahrantriebes 1 ab. Das vollständige Modell lässt sich in der Zustandsraumdarstellung als nichtlineares verkoppeltes Modell der Ordnung 14 angeben, welches sehr komplex und daher nicht für einen Reglerentwurf und eine Optimierung geeignet ist. Durch Anwendung der singulären Störtheorie wurden daher schnelle Teilsysteme des hydraulischen Fahrantriebs 1 identifiziert und quasistationär approximiert. Dadurch reduziert sich die Systemordnung auf einen reduzierten Zustand und auf einen reduzierten Eingang des Fahrantriebes 1. Dieses System lässt sich mit Differentialgleichungen beschreiben, wobei sich die enthaltenen Kräfte aus Feder-, Rückstell- und Strömungskräften zumindest an den Stellzylindern 4, 14, den Hydromaschinen 2, 12 und den Arbeitsleitungen 22, 24 zusammensetzen. Durch die Parametrierung sämtlicher Systemgrößen kann gezeigt werden, dass mit der Druckdifferenz Δp und dem Stellweg oder der Zylinderposition x_M des Motors 12 flache Ausgänge y₁, y₂ vorliegen.
Da es für die zwei flachen Ausgänge y₁, y₂ oder Δp, x_M nur eine Führungsgröße in Form des Sollmoments M_M gibt, hat man einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Dieser Freiheitsgrad wird im Weiteren dazu genutzt den Wirkungsgrad des Fahrantriebs 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu optimieren. Um Rechenzeit für die Optimierung zu minimieren, wird ausgehend vom reduzierten System die Ventildynamik vernachlässigt und der Stellweg x_M des Motors 12 wird mit einem PT1-Glied empirisch approximiert. Dies ergibt einen Zustand, der für die folgende Optimierung herangezogen wird. Mit einer nichtlinearen Eingangstransformation erhält man damit ein lineares System. Die Optimierung, die oben genannte Solltrajektorien y₁, y₂ berechnet, hat das Ziel, die Verlustleistungen der Pumpe 2 und des Motors 12 zu minimieren, wobei die Systemdynamik berücksichtigt ist und Zustands- und Eingangsgrenzen eingehalten werden müssen.
Eine Analyse des Wirkungsgradkennfeldes der Pumpe 2 (3 links) und des Motors 12 (3 rechts) ergibt, dass die Minimierung der Verlustleistung durch die Maximierung der Schwenkwinkel sowie die Minimierung der Druckdifferenz Δp erreicht wird. Für die Planung der Solltrajektorien wird ein Ansatz in Anlehnung an eine modellprädiktive Regelung (MPC) gewählt. Hierbei wird das oben genannte lineare System zu einem aktuellen Abtastzeitpunkt t_k für einen Vorhersage- oder Zeithorizont T_h in die Zukunft prädiziert und eine optimale Stellgröße wird aus der Lösung des dynamischen Optimierungsproblems mittels der Lagrange`schen Dichte berechnet. Das dynamische Optimierungsproblem berücksichtigt explizit die Systemdynamik inklusive eines Anfangszustandes und aller Systembeschränkungen des Fahrantriebes 1. Die optimale Lösung eines ersten Abtastintervalls wird dann als Stellgröße verwendet. Anschließend wird der Horizont um die Abtastzeit mit t_k+1 = t_k +T_a weiter gerückt und erneut eine optimale Lösung mit den neuen Startwerten berechnet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Optimierung ist, dass Eingangs- und Zustandsbeschränkungen, also allgemein Systemgrenzen des Fahrantriebes 1 systematisch berücksichtigt werden. Ein im Zuge einer echtzeitfähigen Implementierung auftretender Nachteil kann der hohe Rechenaufwand hierfür sein. Um diesen zu reduzieren und dennoch die Vorteile der optimierungsbasierten Planung der Solltrajektorien auszunützen, wird die in 2 dargestellte Regelkreisstruktur ausgenutzt. Die der Regelung überlagerte Planung der Solltrajektorien arbeitet hierbei mit einer langsameren Abtastzeit als die Regelung und stellt somit für ein Zeitintervall T_i ≤ T_h die Solltrajektorien zur Verfügung. Der Anfangszustand ergibt sich dabei aus der aktuellen Messung der Druckdifferenz Δp und der Ausgangsgrößen des Beobachters 32 gemäß 2. Die Lagrange`sche Dichte wird so gewählt, dass dem vorgegebenen Sollmoment M möglichst exakt gefolgt und zusätzlich die Verlustleistung des Systems minimiert wird. Mit Koeffizienten kann die Optimierungsaufgabe gezielt beeinflusst werden. Eine Gewichtung der Stellgröße mit einer Gewichtungsmatrix bewirkt eine Minimierung der Stellgröße und hat positiven Einfluss auf eine Konvergenz des Optimierungsverfahrens. Ungleichungsbeschränkungen berücksichtigen die Minimal- und Maximalwerte der Stellwege oder -positionen der Stellzylinder, der Druckdifferenz und der (virtuellen) Eingänge.
Der Stellweg oder die Stellposition x_P des Stellzylinders 4 der Pumpe 2 wird anhand eines Luenberger Beobachters 32 geschätzt, wobei die messbare Druckdifferenz Δp als Korrekturterm zurückgeführt wird. Da der Motor anhand von realen Messungen sehr gut validiert und durch die Elektroproportional-Verstellung (EP) stabil ist, wird für den Beobachter des Motorschwenkwinkels ein trivialer Beobachter 32 verwendet.
Die flachheitsbasierte Regelung sorgt dafür, dass den von der Planung 26 wirkungsgradoptimiert berechneten Soltrajektorien robust gefolgt wird. Dafür werden alle Zustände und Eingänge durch die flachen Ausgänge und deren Zeitableitungen parametriert. Für das lineare Ersatzsystem werden die neuen virtuellen Eingänge v₁ und v₂ verwendet. Die Druckdifferenz Δp wird geregelt, da diese als Messgröße zu Verfügung steht. Für den Stellweg des Motors 12 wird eine Steuerung verwendet, weil keine Messgröße zur Verfügung steht und der triviale Beobachter dem gesteuerten Wert exakt folgt. Die Eingänge u₁, und u₂ können aus den virtuellen Eingängen v₁ und v₂ und den Solltrajektorien für den flachen Ausgang berechnet werden.
Im Zuge der Servokompensation 30 wird ausgehend von den Stellgrößen u₁ und u₂ des reduzierten Modells auf die tatsächlichen Stellgrößen, die durch die Ströme i_PA , i_PB und i_M gegeben sind, zurückgerechnet. Für den Motor 2 ist der Zusammenhang zwischen der virtuellen Stellgröße u₁ = F_M und der tatsächlichen Stellgröße i_M direkt über die Auswertung des Magnetkraftkennfeldes gegeben. Um aus der virtuellen Stellgröße u₁ = F_P auf die Ventilströme i_PA und i_PB zurückrechnen zu können, werden die magnetischen Ventilkräfte F_PA und F_PB benötigt, die von den Steuerdrücken p_SA und p_SB abhängen. Dazu wird im ersten Schritt die notwendige Steuerdruckdifferenz berechnet. Energetisch lässt sich dabei die Steuerdruckdifferenz am effektivsten einstellen, wenn der kleinere der Steuerdrücke identisch dem Tankdruck ist. Dadurch muss immer nur ein Ventil angesteuert werden.
Die 4 bis 8 zeigen den Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens und der darauf aufgebauten modellbasierten Steuerung und Regelung. Dazu wird als Basis eine Vorgabe des Sollwertes des Moments M_M des Motors 2 als Eingangsgröße gemäß 4 für die wirkungsgradoptimierte Planung 26 der Solltrajektorien verwendet. Anhand eines Zustandsvariablenfilters werden aus den erhaltenen Solltrajektorien x_M und Δp die Eingänge für die flachheitsbasierte Vorsteuerung und Regelung 28 gemäß 2 generiert und die berechneten Stellgrößen aufgeschaltet. Der Pumpenschwenkwinkel α_P und der Motorschwenkwinkel α_M werden anhand der bereits diskutierten Beobachter 32 (vgl. 2) geschätzt.
In den 5 bis 8 sind Vergleichstrajektorien bei gleicher Sollwertvorgabe gestrichelt dargestellt, um die Auswirkung der Optimierung zu verdeutlichen. Die Vergleichstrajektorien repräsentieren dabei die Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens.
In 4 ist zu sehen, dass dem vorgegebenen Sollverlauf des Moments M_M sehr gut gefolgt wird. Die Optimierung wirkt sich vor allem auf eine niedrigere Druckdifferenz Δp gemäß 5 und höhere Pumpenschwenkwinkel α_P gemäß 7 aus. Damit kann die Verlustleistung des Fahrantriebes 1 deutlich gesenkt werden, was aus 8 hervorgeht. Die im gesamten Verlauf entstehende Verlustenergie kann um 33% reduziert werden. Im gesamten Verlauf werden Zustands- und Stellgrößenbeschränkungen, also die genannten Systemgrenzen des Fahrantriebes 1 eingehalten.
Offenbart ist ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Antriebes oder Fahrantriebes, der zwei in ihrem Druckmittelvolumenstrom, insbesondere in ihrem Verdrängungsvolumen, verstellbare und in offenem oder geschlossenem hydraulischen Kreis in Reihe geschaltete Hydromaschinen hat. Dabei ist eine Steuereinheit mit einem darin abgelegten dynamischen Modell des Fahrantriebes vorgesehen und ein Freiheitsgrad des Modells wird ausgenutzt, in Abhängigkeit eines Sollwertes einer Führungsgröße des Fahrantriebes, modellbasiert, wenigstens eine Solltrajektorie des Fahrantriebes wirkungsgradoptimiert, insbesondere unter Minimierung einer Verlustleistung des Fahrantriebes, zu planen und eine zugeordnete Stellgröße flachheitsbasiert vorzusteuern und optional auszuregeln.
Bezugszeichenliste

1: hydrostatischer Fahrantrieb
2: erste Hydromaschine
4: Stellzylinder Pumpe
6: Stellkolben
8a, 8b: Druckmittelraum
10a, 10b: Steuerventil
12: zweite Hydromaschine
14: Stellzylinder Motor
16: Stellkolben
18a: Ringraum
18b: Bodenraum
20: Steuerventil
22, 24: Arbeitsleitung
26: Planung Solltrajektorien
28: Vorsteuerung und Regelung
30: Servokompensation
32: Beobachter
MM: Drehmoment Motor
pHD: Hochdruck
pmax: Systemgrenze Hochdruck
PSA, PSB; PSM: Stelldruck Pumpe; Motor
x: Solltrajektorie Stellweg
Δp: Solltrajektorie Druckdifferenz
xP: Stellweg Pumpe
xM: Stellweg Motor
VP: Verdrängungsvolumen Pumpe
VM: Verdrängungsvolumen Motor
iPA, iPB; iM: Eingangsstrom Steuerventil Pumpe; Motor
imax: Systemgrenze Eingangsstrom
αP, αM: Schwenkwinkel Pumpe, Motor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014224337 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebes ,(1), der eine primär antreibbare erste Hydromaschine (2) mit verstellbarem ersten Verdrängungsvolumen (V_P) und wenigstens eine mit dieser in offenem oder geschlossenem hydraulischen Kreis angeordnete zweite Hydromaschine (12) mit verstellbarem zweiten Verdrängungsvolumen (V_M) hat, und der eine Steuereinheit mit einem darin abgelegten dynamischen Modell des Fahrantriebes (1) hat, das einen Eingang für wenigstens eine Führungsgröße (M_M) aus möglichen Regelgrößen (p_HD, Δp, M_M, M_P) des Fahrantriebs (1) und Ausgänge für Solltrajektorien zumindest von Stellgrößen (x_P, x_M) des Fahrantriebs (1) hat, wobei mehr Ausgänge für die Solltrajektorien von Stellgrößen als Eingänge für Führungsgrößen vorgesehen sind, mit Schritten - Eingeben eines Sollwertes der wenigstens einen Führungsgröße (M_M) in die Steuereinheit, - Modellbasiertes Planen (26) der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße (M_M) über die Steuereinheit, und - Flachheitsbasiertes Vorsteuern (28) der Stellgrößen (x_P, x_M) in Abhängigkeit der Solltrajektorien und des invertierten Modells über die Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das modellbasierte Planen (26) der Solltrajektorien wirkungsgradoptimiert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modell einen Eingang für wenigstens eine Systemgrenze (pmax, imax) des Fahrantriebs (1) hat, mit einem Schritt - Eingeben eines Grenzwertes der wenigstens einen Systemgrenze (pmax, imax) in die Steuereinheit, wobei der Schritt - Modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen (26) der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße über die Steuereinheit, auch in Abhängigkeit des wenigstens einen Grenzwertes der Systemgrenze (Pmax, imax) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Führungsgröße (M_M) ein Sollmoment, wenigstens einer der Hydromaschinen (2, 12), insbesondere der zweiten Hydromaschine (12), ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und 3, wobei der Grenzwert ein maximaler Stellweg, Stellwinkel, Hochdruck (pmax), Stelldruck und/oder Eingangs- oder Ansteuerstrom (imax) wenigstens einer der Hydromaschinen (2, 12), insbesondere der zweiten Hydromaschine (12), ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solltrajektorien von wenigstens einer der Hydromaschinen (2, 12), insbesondere der zweiten Hydromaschine (12) einen Hochdruck oder eine aus dem Hochdruck gebildete Druckdifferenz (Δp), sowie eine mit dem Verdrängungsvolumen (V_P, V_M) gekoppelte Größe (x_P, x_M) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die gekoppelte Größe ein Schwenkwinkel (α_P, α_M) der Hydromaschine (2, 12) oder ein Stellweg (x_P, x_M) oder eine Stellposition eines Stellzylinders (4, 14) zum Verstellen des Verdrängungsvolumens (V_P, V_M) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fahrantrieb (1) wenigstens eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines Istwertes wenigstens einer der Regelgrößen (p_HD, Δp) hat, mit einem Schritt - Erfassen des Istwertes wenigstens einer der Regelgrößen (p_HD, Δp), über die wenigstens eine Erfassungseinheit.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fahrantrieb (1) wenigstens einen Beobachter (32) zur Abschätzung eines Istwertes wenigstens einer der Stellgrößen (x_P, x_M) hat, mit einem Schritt - Abschätzen des Istwertes wenigstens einer der Stellgrößen (x_P, x_M), über den Beobachter (32).
Verfahren zumindest nach Anspruch 7 und 8, mit einem Schritt - Ermitteln eines Zustands des Fahrantriebes in Abhängigkeit des wenigstens einen erfassten Istwertes der Regelgröße (p_HD, Δp) und des wenigstens einen abgeschätzten Istwertes der Stellgröße (x_P, x_M), über die Steuereinheit, der jeweils zu ersten Abtastzeitpunkten (t_K, t_K+1), insbesondere zyklisch, erfolgt.
Verfahren zumindest nach Anspruch 9, wobei der Schritt - Modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen (26) der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße (M_M) über die Steuereinheit vom ermittelten Zustand ausgehend, jeweils prädiktiv über einen ersten Zeithorizont (T_h) erfolgt.
.Verfahren nach Anspruch 7 oder einem darauf rückbezogenen Anspruch, mit einem Schritt - Regeln wenigstens einer der Regelgrößen (p_HD, Δp) in Abhängigkeit von deren Sollwert und des erfassten Istwertes über die Steuereinheit, der dem Schritt - Modellbasiertes, wirkungsgradoptimiertes Planen (26) der Solltrajektorien zumindest in Abhängigkeit des Sollwertes der Führungsgröße (M_M) über die Steuereinheit, unterlagert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt - Regeln wenigstens einer der Regelgrößen (p_HD, Δp) in Abhängigkeit von deren Sollwert und des erfassten Istwertes über die Steuereinheit, zu zweiten Abtastzeitpunkten mit gleichem oder geringerem zeitlichen Abstand wie die ersten Abtastzeitpunkte, insbesondere zyklisch, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Schritt - Servokompensation (30) der Solltrajektorien.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Schritt - Ermitteln wenigstens eines Ansteuer- und/oder Eingangsstrom (i_PA, i_PB, i_M) eines Steuerventils (10a, 10b, 20) einer der Hydromaschinen (2, 12), und - Ansteuern des Steuerventils (10a, 10b, 20) damit (i_PA, i_PB, i_M) und Verstellen des Verdrängungsvolumens (V_P, V_M) dadurch.