DE2921342C2 - Elektrisch geregelter, hydraulischer Stellantrieb für eine veränderliche Last - Google Patents
Elektrisch geregelter, hydraulischer Stellantrieb für eine veränderliche LastInfo
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Description
ein verhältnismäßig hoher Lcislungsbedarf auch bei konstanter Sollposition.
Beispiele für elektrisch geregelte, hydraulische Stellantriebe, die druckmessende und/oder v.-egmessendc
elektrische und hydraulische Geber benutzen, die auf r'
ein Servosleuerventil einwirken, sind aus den DE-OS 20 11 713 und 20 47 525 sowie aus der GB-PS 14 62 879
bekannt.
Bekannt ist auch bereits ein hydraulischer Stellantrieb mit zwei donoeltwirkenden Arbeitszylindern mit je Ul
einer einfachen Kolbenstange, wobei die Kolbenstangen mechanisch starr verbunden sind (US-PS 32 62 740).
Einen weiteren hydraulischen Stellantrieb mit doppelt wirkendem Arbeitszylinder mit einfacher Kolbenstange,
der über Servosteuerventile mit Hydraulikmedium '' bcaufschlagbar ist zeigt die US-PS 27 82 603.
Schließlich ist es aus der US-PS 29 69 647 auch bereits bekennt, bei einem Stellantrieb mit doppelt wirkendem
Arbeitszylinder die einen der beiden Karmern mit einem pneumatisch/hydraulischen Speicher zu verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb der einleitend angegebenen Gattung zu
schaffen, bei dem die veränderliche Last hydraulisch
kompensiert wird, um den Leistungsbedarf möglichst 2>
niedrig zu halten.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben.
Die Unteransprüche bezichen sich auf vorteilhafte
Ausführungsformcn und Weiterbildungen dieses Stell- i(l
antricbes.
Zwei Ausführungsbcispielc des Stellantriebes nach der Erfindung sind in den weiteren Figuren der
Zeichnung schemalisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt
F i g. 4 eine erste Ausführungsform des Stellantriebes !'
und
Fig. 5 den funktionswesentlichen Teil einer zweiten,
im übrigen jedoch mit Fig.4 übereinstimmenden Ausführungsform.
Der Stellantrieb nach F i g. 4 umfaßt drei Baugrup- t0
pen:
— einen Stellantrieb der in Fig. 2 dargestellten Art
zum Schwenken des Höhenrichtaufbaus einer Raketenabschußrampe; die entsprechenden Bau- ll
teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fi g. 2 versehen;
— eine an die uniere Kammer 93 des Arbeitszylinders
9 angeschlossene Hydraulik mit den Hydraulikkreisen 1,2 und 3 sowie einem Speicher 25; '"
— eine durch die Blöcke 16 bis 24 versinnbildlichte
elektrische Regelung für diese Hydraulik.
Diese Regelung arbeitet entsprechend der zuvor schon erläuterten Fig. 3. Die in Klammern stehenden "
Bezugszeichen im folgenden Absatz verweisen auf die entsprechenden Elemente in dieser F i g. 3.
Ein Positionssollsignal 13 (313) wird einem Vergleicher 15 (315) zugeführt, der außerdem ein !-Ositionsistsignal
10 (310) erhält und an seinem Ausgang ein b0
Fehlersignal 14 (314) liefert. Dieses Fehlersignal wird über Korrekturglieder 11 (311) einem Verstärker 12
(312) zugeführt, dessen Ausgang mit der Magnetspule des Scrvosteucrventils 7 (307) verbunden ist. das als
Vierwegeventil die Stellung des Kolbens in dem ni
Arbeitszylinder 8 festlegt. Die Kolbenstange 81 dieses Arbeitszylinders 8 ist über einen Querträger 106. der die
Last (306) aufnimmt, mit der Kolbenstange 91 des weiteren Arbeitszylinders 9 verbunden und liefert das
Posilionsistsignal 10(310).
Die untere Kammer 93 des Arbeitszylinders 9 wird über drei Hydraulikkreise 1, 2 und 3 sowie einen
ölpneumatischen Speicher 25 mit dem hydraulischen Ausgieichsdruck P1. beaufschlagt. Der Speicher 25 ist
über den Hydraulikkreis 2, über eine Drosselsirecke /?2
und ein Ventil D> an den Betriebsdruck P1 angeschlossen.
Weiter ist der Speicher 25 über den Hydraulikkreis 3, eine Drosselstrecke /?j und ein Ventil Dj an den
Bezugsdruck Pn angeschlossen.
Die Ventile D> und Dj haben lediglich die zwei
Stellungen »auf« und »zu«.
Die Drosselstrecken found /fjsind geeichte Druckabfallstrecken,
die die Druckanstiegs- und Druckabfallgeschwindigkeit in dem Speicher 25 bestimmen. Ihre
Bemessung richtet sich im wesentlichen nach der Größe der Laständerungen, im vorliegenden Fall nach der
Raketenabschußfolge. Durch geeignete Bemessung läßt sich der Wirkungsgrad verbessern.
Der Hydraulikkreis 1 verbindet die untere Kammer 93 des Arbeitszylinders 9 über eine Drosselstrecke /?·
mit dem Speicher 25. Die Drosselstrecke R\ dämpft die beim Abschuß einer Rakete entstehenden Schwingungen
des Höhenrichtaufbaus.
Da die Drosselstrecke /?i die Zeitkonstante des
Stellantriebs verlängert, was beim Richten der Abschußrampe nachteilig ist, ist ein einen Absperrschieber D\
enthaltender Bypass vorgesehen. Der Absperrschieber Di ist im normalen Betrieb geschlossen, so daß das Fluid
über die Drossclstreckc Wi strömt. Während des Richtens ist D1 geöffnet. Der Absperrschieber D1 wird
über einen handbetätigten Schalter 24 und ein elektrisches Stellglied 21 geöffnet oder geschlossen.
Die Regelung arbeitel wie folgt: Über Leitungen 40
bzw. 50 werden die Drücke in den Hydraulikkreisen 4 bzw. 5 für den ersten Arbeitszylinder 8 einem
Differenzdruckgeber 16 zugeführt. Dieser Differenzdruckgeber 16. bei dem es sich um einen Dehnungsmeßstreifen
handeln kann, liefert an seinem Ausgang ein dem Druckunterschied zwischen der oberen Kammer
82 und der unteren Kammer 83 des Arbeitszylinders 8 proportionales Signal, das in erster Näherung ein Maß
für den Unterschied zwischen der Lasländerung und dem Ausgieichsdruck Pc ist, da nach Einstellung des
Höhenwinkels das Fehlersignal 14 klein und daher der durch das Servosteuerventil 7 erzeugte Unterschied
zwischen den Drücken in den Hydraulikkreisen 4 und 5 gering gegenüber den durch Laständerungen entstehenden
Druckunterschieden ist.
Umgekehrt ist jedoch beim Richten der Abschußrampe, also bei Verstellung des Positionssollwertes und
entsprechend der Änderung des Positionssollsignals 13 das Fehlersignal 14 groß und führt zu einer entsprechend
großen Differenz der Drücke in den Hydraulikkreisen 4 und 5. Diese Differenz würde fälschlich als
Lasländerung interpretierbar sein. Daher wird das Ausgangssignal des Diflerenzdruckgebers 16 einem
Sperrglied 17 zugeführt, das an einem weiteren Eingang das Fehlersignal 14 erhält. Das Sperrglied 17 enthält
eine Schwellwertschaltung und eine Torschaltung. Überschreitet das Fehlersignal 14 den Schwellwert, so
ist die Torschaltung gesperrt und am Ausgang des Spei rgliedes 17 erscheint kein Signal.
Auf das Sperrglied 17 folgt ein Tiefpaßfilter 18 zur
Unterdrückung rascher Schwankungen des Druckdiffercnzsignals.
wie sie beispielsweise durch Erschütterungen beim Abschuß einer Rakete hervorgerufen werden.
AuT das Tiefpaßfilter 18 folgt eine Schwellwertschaltung
19, die kleine Signalschwankungen unterdrückt, da diese nicht notwendigerweise repräsentativ für einen
Unterschied /wischen der augenblicklichen Last und dem Druck P,-sind.
Der Schwellwertschaltung 19 ist eine Stcuerlogik 20
nachgeschaltet, die drei Arten von Eingangssignalen verarbeitet, nämlich positive Signale, negative Signale
und Nullwertsignale. Die Steuerlogik 20 hat zwei Ausgänge, von denen der eine mit einem Stellglied 22
für das Ventil Oh und der andere mit einem Stellglied 23 für das Ventil Dj verbunden ist.
Wenn das Eingangssignal der Steuerlogik 20 positiv ist, das heißt, wenn im Hydraulikkreis 4 ein höherer
Druck herrscht als im Hydraulikkreis 5, löst die Steuerlogik 20 das Öffnen des Ventils Dj aus und halt
das Ventil D> geschlossen, so daß der Ausgleichsdruck /^abnimmt.
Wenn im umgekehrten Fall das Eingangssignal der Steuerlogik 20 negativ ist, wird D_ geöffnet und Ds
geschlossen, so daß sich Pc erhöht.
Wenn schließlich das Eingangssignal den Wert Null hat, was besagt, daß entweder eine der Schallungen 17,
18 oder 19 das von dem Differenzdruckgeber 16 gelieferte Signal sperrt bzw. unterdrückt oder daß die
Last vollständig kompensiert ist, hält die Steuerlogik 20 beide Ventile D2 und Djgeschlossen.
Erreicht wird auf diese Weise eine Kompensation von Laständerungen z. B. während des Verfolgens eines
Zieles ohne Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften des Stellantriebes, insbesondere der schnellen
EinsteMbarkeit während des Richtvorganges.
F i g. 5 zeigt den funktionswesentlichen Teil einer abgewandelten Aiisführiingsloim. die ohne den DiITeren/dnickgcber
16 tier Ausl'ühi iingsl'orm nach I i g. 4
auskommt, jedoch auch nicht so leistungsfähig ist.
Das Aiisgangssignal ties DilTcren/druckgebcrs 16
wird durch ein von dem Vei stärker 12 für die IkMäligung
ties Seivosleuervenlils 7 abgeleitetes Gegenkopplungssignai
ersetzt. Der Verstärker 12 einhält hier/u eine Verstärkerschaltung 120. deren Ausgang eine Spule 121
und ein Widerstand R nachgeschallet sind. Zwischen dem Verbindungspunkt der Spule 121 und dem
Widerstand R sowie einem invertierenden F.ingang der Verstärkerschaltung 120 liegt ein Gegenkopplungswiderstand
;·. Der Widersland R ist sehr klein gegenüber dem Widerstand r. Daher ist der den Widerstand R
durchfließende Strom / sehr groß gegenüber dem den Widerstand /'durchfließenden Strom /und kann mithin
näherungsweise dem die Spule 121 durchfließenden Strom (I + i) gleichgesetzt werden. Die Spannung am
Verbindungspunkt M der Widerstände R. r und der Spule 121 ist daher ein Maß für die Verschiebung der
Steuerspindel des Servosteuervenlils 7. Diese Spannung ist aber wiederum ein Maß der Druckdifferenz zwischen
den Hydraulikkreisen 4 und 5.
Das Sperrglied 17 erhält bei dieser Ausführungsform an seinen beiden Eingängen einerseits das Signal am
Verbindungspunki Mund andererseits das Fehlersignal
14. Die Einsparung des Differenzdruckgebers 16 verringert allerdings die Genauigkeit und die zeitliche
Konstanz der Regelung des Ausgleichsdrucks P1. da das
Servosteuerveniil 7 einen gewissen Ansprech- oder Schwellenwert, eine Hysterese und keine völlige
zeitliche Konstanz hat.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Elektrisch geregelter, hydraulischer Stellantrieb für eine veränderliche Last, mit mindestens zwei
doppelt wirkenden Arbeitszylindern mit je einer einfachen Kolbenstange, wobei die Kolbenstangen
mechanisch starr verbunden sind und eine erste Regelschleife mit einem Servosteuerventil zur
Positionsregelung sowie eine zweite Regelschleife zur Kompensation der Laständerungen mittels eines
pneumatisch/hydraulischen Speichers, der mit einer der Arbeitskammern eines der Arbeitszylinder
verbunden ist, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdruckgeber
(16) die Druckdifferenz zwischen den oberen Kammern (82, 92) der Arbeitszylinder {8,9) und der
mit dem Servosteuerventil (7) verbundenen unteren Kammer (83) des ersten Arbeitszylinders (8) mißt
und daß das Ausgangssignal des Differenzdruckgebers (16) bei Ober- oder Unterschreitung eines
konstruktionsbedingten Schwellwertes über eine elektrische Schaltung (17, 18, 19, 20) über je ein
Stellglied (22, 23) und ein von diesem betätigtes Ventil (D21 D3) den Druck in dem Speicher (25)
fallweise erhöht oder vermindert.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Ventil (D2) eine Betriebsdruckquelle
(Ps) über eine erste Drosselstrecke (R2) mit dem Speicher verbindet und daß das zweite
Ventil (D3) eine Bezugsdruckquelle (Po) über eine
zweite Drosselstrecke (R]) mit dem Speicher verbindet.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstiecken (R2, Rs) in
Abhängigkeit von den zu kompensierenden Laständerungen kalibriert sind.
4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (25) mit
der unteren Kammer (93) des zweiten Arbeitszylinders (9) über einen Hydraulikkreis (1) verbunden ist,
der einen ersten Zweig umfaßt, der eine Drosselstelle (R\) zur Feinregelung der Position der Last (106)
und zur Dämpfung der Biegeschwingungen der Last enthält, sowie einen zweiten Zweig, der parallel zu
dem ersten Zweig einen Absperrschieber (D\) enthält, der während rascher Lageänderungen der
Last geöffnet ist.
5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrschieber
(D\) über ein Stellglied (21) betätigbar ist, das seinerseits von Hand (bei 24) schaltbar ist.
6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Differenzdruckgeber
(16) nachgeordnete elektrische Schaltung aus einem Sperrglied (17), einem Tiefpaßfilter
(18), einer Schwellwertschaltung (19) und einer Steuerlogik (20) besteht, welch letztere zwei
Ausgänge hat, von denen jeweils einer mit einem der Stellglieder (22, 23) für die Ventile (D2, D3)
verbunden ist.
7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sperrglied an einem weiteren Eingang das in der ersten Regelschleife (106, 10, 15,
11,12, 7) erzeugte Fehlersignal erhält und die zweite
Regelschleife sperrt, wenn dieses Fehlersignal (14) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb der im Oberbegriff des Palentanspruches 1 genannten Art.
Ein derartiger Stellantrieb kann beispielsweise für die Höhenwinkeleinstellung einer Raketenabschußrampe
■> verwendet werden. Eine solche Raketenabschußrampe
ist vereinfacht in Fig. 1 dargestellt. Die Raketen 100
befinden sich auf einer geneigten Plattform 106, die nachstehend als mechanischer Höhenrichtaufbau bezeichnet
wird und sich gegenüber einem waagerechten Fundament 102 um eine Achse 103 schwenken läßt. Zur
Einstellung des Höhenwinkels dienen zwei Arbeitszylinder 8 und 9.
Der Stellantrieb der einleitend genannten Gattung ist aus der FR-PS 20 63 698 bekannt. Wie aus Fig. 2
ersichtlich, sind die Arbeitszylinder 8 und 9 baugleich und symmetrisch angeordnet. Ihre Kolbenstangen 81
und 91 sind durch einen gemeinsamen Querträger 6 starr miteinander verbunden. Die jeweiligen Zylinder 8
und 9 werden durch ihre Kolben 84 und 94 in obere ·?<>
Kammern 82 bzw. 92 und untere Kammern 83 bzw. 93 geteilt. Ein als Vierwegeventil ausgebildetes Servosteuerventil
7 isi mit einem Betriebsdruck P4 und einem
Bezugsdruck P1* z. B. dem Atmosphärendruck, beaufschlagbar.
Ein erster Hydraulikkreis 4 verbindet das -3 Servosieuerventil 7 mit den oberen Kammern 82 bzw.
92. Ein zweiter Hydraulikkreis 5 verbindet das Servosteuerventil 7 mit den unteren Kammern 83 bzw.
93. Das Flächenverhältnis der unteren Kreisflächen der Kolben 84 und 94 zu den beiden oberen Ringflächen hat
den Wert 2. Die Durchflußmengen ζ) im Hydraulikkreis
4 und Q'im Hydraulikkreis 5 sind gleich. Der Antrieb ist
symmetrisch aufgebaut. Die Leckslröme im Bereich des Servosteuerventils und der Arbeitszylinder 8 und 9 sind
durch einen Leckkreis angedeutet, der die Hydraulikkreise 4 und 5 miteinander verbindet und eine
Drosselstelle Ri enthält. Als Drossclstelle wird eine
geeichte Druckabfallstrecke bezeichnet, die den Durchfluß des Hydraulikmediums in einem Hydraulikkreis
begrenzt. Die untere Kammer 93 des Arbeitszylinder 9 wird über einen Hydraulikkreis 1 auf dem Bezugsdruck
gehalten. Bei konstanter Last kann dieser Bezugsdruck ein Ausgleichsdruck /\.sein.
Dieser Stellantrieb nach dem Stand der Technik kann mit einer an sich ebenfalls bekannten, in Fig.3
dargestellten Regelung ausgerüstet sein. Die Last 306 wird durch einen Arbeitszylinder 308 bewegt, der mit
Hydraulikmedium über ein Servosteuerventil 307 gespeist wird, das über eine elektrische Schaltung
gespeist wird.
Diese elektrische Schaltung umfaßt einen Verstärker 312, mit dessen Ausgang eine Magnetspule 300
verbunden ist, die auf die Ventilstange einwirkt. Dem Eingang des Verstärkers 312 wird über Korrekturglieder
311 das Ausgangssignal eines Vergleichers 315 zugeführt, der an seinem einen Eingang ein Positionssollsignal
313 und an seinem anderen Eingang ein Istpositionssignal 310 erhält, aus welchen beiden
Signalen das Fehlersignal 314 als Ausgangssignal erzeugt wird.
Bei einem derartigen Antrieb wird die Last nicht unmittelbar hydraulisch im Bereich des Arbeitszylinders
sondern durch die Regelung kompensiert.
Im Fall einer Abschußrampe bedeutet dies einerseits,
daß für das Anheben des Höhenrichtaufbaus eine
b5 höhere Leistung aufgebracht werden muß als für das
Absenken und daß auch bei gleichbleibender Sollposition an den Anschlüssen des Servosteuerventils ein
erheblicher Differenzdruck ansteht. Hieraus resultiert
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