DE2921342C2 - Elektrisch geregelter, hydraulischer Stellantrieb für eine veränderliche Last - Google Patents

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 P_n 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 P_c 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 P_c 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)

Patentansprüche:

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