DE3149081A1

DE3149081A1 - "METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR IMPROVING THE CONTROL EQUIPMENT IN SERVOHYDRAULIC DEVICES"

Info

Publication number: DE3149081A1
Application number: DE19813149081
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 6101 Roßdorf Beran; Gerald Ing.(grad.) 6147 Lautertal Jung; Erich Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Lücker
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1981-12-11
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1983-08-18
Also published as: DE3149081C2; JPS58103009A; GB2111253A; GB2111253B

Description

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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Regelgüte bei servohydraulischen EinrichtungenMethod and circuit arrangement for improving the Control quality for servohydraulic systems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Regelgüte bei servohydraulischen Einrichtung, insbesondere bei lagegeregelten Einrichtungen, die einen Regelkreis aufweisen, der im wesentliehen aus einem Betätigungszylinder, einem Servoventil, einer Regeleinrichtung sowie Soll- und Istwert-Geöern besteht. The invention relates to a method and a circuit arrangement for improving the control quality in servohydraulic ones Device, especially in position-regulated devices that have a control loop that is essentially consists of an actuating cylinder, a servo valve, a control device and setpoint and actual value Geöern.

Die Aussteuerung eines Servoventils, d.h. der Weg des Ventil-Ίο Schiebers von einer Mittel- oder Neutralstellung aus, ist theoretisch der Geschwindigkeit des Arbeitskalbens in einem angeschlossenen hydraulischen Betätigungszylinder proportional, wenn am Arbeitskolben keine Kräfte angreifen (sogenannter, lastdruckfreier Betrieb), Durch Beschleunigungen, Verzögerungen, äußere Kräfte usw. entsteht im Arbeitsmedium des Betätigungszylinders ein Druck, der als Lastdruck bezeichnet wird. Der Lastdruck bewirkt eine starke Nihtlinearität zwischen der Aussteuerung des Servoventils und der Geschwindigkeit (Erregergeschwindigkeit) des Arbeitskolbens, insbesondere bei höheren Kalbengeschwindigkeiten und großen bewegten Massen» Durch diese Nichtlinearität werden höhere harmonische Schwingungsformen angeregt, die zu Verzerrungen bei der Nachbildung von Weg-, Geschwindigkeits- und insbesondere von Beschleunigungssignalen bzw. Funktionen führen.The modulation of a servo valve, i.e. the path of the valve Ίο From a middle or neutral position, is theoretically the speed of the working piston in one connected hydraulic actuating cylinder proportionally, if no forces are acting on the working piston (so-called, load pressure-free operation), through accelerations, Delays, external forces, etc. arise in the working medium of the actuating cylinder, a pressure that as Load pressure is referred to. The load pressure causes a strong linearity between the actuation of the servo valve and the speed (excitation speed) of the working piston, especially at higher calving speeds and large moving masses »This non-linearity results in higher harmonic oscillation forms that leads to distortions in the simulation of distance, speed and, in particular, acceleration signals or lead functions.

Bisher konnten diese Schwierigkeiten bei servohydraulischen Regelkreisen nicht oder nicht vollständig überwunden werden. Es ist bekannt, den Differenzdruck έ& ρ in den Zylinderkammern eines Betätigungszylinders als Hilfsregelgröße zu verwenden. Hierzu wird das bandbegrenzte «^p-Signal dem Istwert des Lageregelkreises aufaddiert. Mit einerUp to now, these difficulties could not or not completely be overcome with servo-hydraulic control loops. It is known to use the differential pressure έ & ρ in the cylinder chambers of an actuating cylinder as an auxiliary controlled variable. For this purpose, the band-limited «^ p signal is added to the actual value of the position control loop. With a

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solchen Anordnung wird die Resonanzfrequenz eines servohydraulischen Systems leistungslos bedämpft. Die Hilfsgrößenrückführung hat jedoch keinen Einfluß auf die durch die Lastdruckabhängigkeit entstehende Nichtlinearität, sondern sie stellt lediglich eine .lineare Korrektur des Reglersignals dar.such an arrangement becomes the resonance frequency of a servohydraulic System attenuated without power. The auxiliary variable return however, has no influence on the non-linearity resulting from the load pressure dependency, but it only represents a linear correction of the controller signal.

Bei den bisher bekannten Verfahren und Schaltungsanordnungen wird das notwendige Steuersignal für den Regelkreis aus der Übertragungscharakteristik des Regelkreises und dem gewünschten Signal bzw. der gewünschten Funktion ermittelt. Hierbei ist beispielsweise eine zeitraubende Systemidentifikation notwendig, die auf einem Rechner erfolgen muß. Nachteilig ist hierbei auch, daß in einem Rechner für solehe Fälle nur Signale von begrenzter Zeitlänge bearbeitet werden können. Die Lastdruckkompensation wurde durch eine Korrektur des Sollwertsignals vorgenommen.In the previously known methods and circuit arrangements, the necessary control signal for the control loop determined from the transmission characteristics of the control loop and the desired signal or the desired function. Here, for example, a time-consuming system identification is necessary, which must be carried out on a computer. It is also disadvantageous that in a computer for solehe Cases only signals of a limited length of time can be processed. The load pressure compensation was through a Correction of the setpoint signal made.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und die Regelgüte insbesondere von lagegeiqgelten servohydraulischen Systemen zu verbessern, wobei durch den Lastdruck im Betätigungszylinder entstehende Verzerrungen Cauch als Klirrfaktor bezeichnet), insbesondere bei der Nachbildung von Beschleunigungssignalen oder Funktionen, jedoch auch bei der Regelung von Wegen und Geschwindigkeiten, verringert oder ausgeschaltet werden sollen. Darüberhinaus soll die Regeleinrichtung entlastet werden.It is the object of the present invention to address the disadvantages of State of the art to avoid and the control quality especially of lagegeiqgelten servohydraulic systems improve, whereby distortions caused by the load pressure in the actuating cylinder Cauch are referred to as distortion factor), especially when simulating acceleration signals or functions, but also when regulating of paths and speeds, should be reduced or switched off. In addition, the control device be relieved.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Die Ansprüche enthalten auch Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by the features specified in the patent claims. The claims also contain Refinements of the invention.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Multiplikation eines aus dem Lastdruck oder einer gleichwertigen Größe gebildetenIt has been shown that by multiplying one formed from the load pressure or an equivalent variable

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Korrektursignals mit dem Ausgangssignal des Reglurs eine erhebliche Verbesserung uas Regelverhaltens erzielt werden kann. Hierbei wird das Korrektursignal zweckmäBigerweise nach der in Anspruch 2 angegebenen Formel gebildet. Das korrigierte Ausgangssignal des Reglers kann durch die Berücksichtigung der Übertragungsfunktion des Servoventils noch verbessert werden.Correction signal with the output signal of the controller a considerable Improvement uas control behavior can be achieved can. The correction signal is expediently formed according to the formula given in claim 2. The corrected output signal of the controller can be taken into account the transfer function of the servo valve still to be improved.

Weitere Vorteile der Erfindung: die Zeitlänge der zu verarbeitenden Signale ist nicht begrenzt,· einfacher Aufbau der Kompensationsschaltung, die Bestandteil des Reglers sein kann* die Kompensationsschaltung bleibt nach einmaliger Einstellung unverändert} die Aufnehmer für die notwendigen Steuersignale (Lastdruck, Beschleunigungsaufnehmer, Aufnehmer für den Weg des Ventilschiebers des Servoventils) sind leicht anzuordnen bzw. bei servohydraulischen Systemen bereits vorhanden .Further advantages of the invention: the length of time to be processed Signals is not limited, · simple construction of the compensation circuit, which is part of the controller can * the compensation circuit remains after a one-time setting unchanged} the transducers for the necessary control signals (load pressure, accelerometers, transducers for the path of the valve slide of the servo valve) are easy to arrange or already exist in servohydraulic systems .

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Kompensationsschaltung in einem lagegeregelten servohydraulischen Regelkreis.The invention is based on an exemplary embodiment in Drawing shown and explained in more detail in the description. The drawing shows a schematic representation Compensation circuit according to the invention in a position-regulated servohydraulic control circuit.

Der Regelkreis besteht im wesentlichen aus einem Sollwertgeber S, der den Sollwert w an den Regler R gibt, einer Multiplikationsstufe FIn, in der das Ausgangssignal w. des Raglers R mit einem Korrektursignal c multipliziert wird, einem Korrekturglied F für die Übertragungsfunktion des Servoventils, dem Servoventil SV für die Steuerung des Betätigungszylinders und dem Betätigungszylinder Z, der die gewünschten Sollwerte oder Sollwertfunktionen nachbildet. Weiterhin wird am Betätigungszylinder Z bei dem lagegeregelten System der Istwert χ in Form eines Weges an der KoI-benstange des Zylinders abgenommen. Der Istwert X wird dem Regler R zugeleitet, in dem der Soll-Istwert-Vagleich vorgenommen wird. Mit Ausnahme der Multiplikationsstufe M₃ The control loop consists essentially of a setpoint generator S, which sends the setpoint w to the controller R, a multiplication stage FIn in which the output signal w. Of the ragler R is multiplied by a correction signal c, a correction element F for the transfer function of the servo valve, the Servo valve SV for controlling the actuating cylinder and the actuating cylinder Z, which simulates the desired setpoints or setpoint functions. Furthermore, in the case of the position-regulated system, the actual value χ is taken from the actuating cylinder Z in the form of a path on the piston rod of the cylinder. The actual value X is fed to the controller R, in which the setpoint / actual value V is equal. With the exception of the multiplication level M ₃

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entspricht diese Anordnung den bekannten Regelkreisen. Zur Nachbildung der in Anspruch 2 angegebenen Gleichungthis arrangement corresponds to the known control loops. To simulate the equation given in claim 2

wird der Lastdruck p, im Betätigungszylinder Z erfaßt. Dies kann beispielsweise durch einen DifFerenzdruckaufnehmer erfolgen, der an beide Zylinderkammern des Betätigungszylinders angeschlossen ist und der ein für die Schaltung geeignetes elektrisches Signal liefert.the load pressure p, in the actuating cylinder Z is detected. This can be done, for example, by a differential pressure transducer connected to both cylinder chambers of the actuating cylinder is connected and an electrical signal suitable for the circuit supplies.

Anstelle des Lastdrucks kann als gleichwertige Größe auch die Beschleunigung am Kolben bzw. an der Kolbenstange des Betätigungszylinders Z mit einem geeigneten Aufnehmer ermittelt werden. Dies ist möglich bei Systemen, bei denen eine Masse mit dem Kolben starr verbunden ist. Der Lastdruck bzw. der Ausdruck ρ-,/ρ wird in diesem Fall durch eine aus der Beschleunigung abgeleitete Größe ersetzt, z.B. in Form eines geeigneten elektrischen Signals.Instead of the load pressure, the acceleration on the piston or on the piston rod of the Actuating cylinder Z can be determined with a suitable transducer. This is possible with systems where a mass is rigidly connected to the piston. The load pressure or the expression ρ -, / ρ is in this case by replaces a variable derived from the acceleration, e.g. in the form of a suitable electrical signal.

Das Signal p, für den Lastdruck wird in einer ersten Multiplikationsstufe M. mit einem von außen vorgebbaren bzw. einstellbaren Signal für einen Proportionaliläfcsfaktor k multipliziert. Mit dem Faktor k wird die Stabilität der Kompensationsschaltung eingestellt. Der Wert für den Faktor k liegt, zwischen ü und 1. Dieser Wert wird als elektrisches Signal der Schaltung zugeführt. Der Speisedruck p-, kann in der Schaltung fest eingestellt werden, wobei die Einstellung falls erforderlich auch veränderbar ausgeführt werden kann. Bei der Einstellung k = D ist die Kompensationsschaltung wirkungslos und eine Korrektur ist ausgeschaltet bzw. das Kurrektursignal ist gleich 1.The signal p for the load pressure is in a first multiplication stage M. with an externally predeterminable or adjustable Signal for a proportionalile factor k multiplied. The stability of the compensation circuit becomes with the factor k set. The value for the factor k lies between ü and 1. This value is called electrical Signal fed to the circuit. The feed pressure p- can be in the circuit can be set permanently, the setting can also be made changeable if necessary can. With the setting k = D, the compensation circuit has no effect and a correction is switched off or the course correction signal is equal to 1.

Bei dt^j.r erfindungsgemäßen Anordnung wird neben dem Last-If dt ^j .r inventive arrangement is adjacent to the load

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druck ρ, auch die Stellung des VentiIschisb^rs des Servoventils ermittelt. Der Istwert χ der Schieberstellungpressure ρ, also the position of the valve switch of the servo valve determined. The actual value χ of the slide position

w Vw V

dient zur Ansteuerung eines Schalters SW, welcher zusammen mit einer weiteren Multiplikationsstufβ M.-, das in der obigun Gleichung angegebene Vorzeichen des Lastdruuks bzw. des Verhältnisses ρ-,/ρ berücksichtigt. Hierbei wird der Schulter SW immer dann betätigt bzw. umgeschaltet, wenn der Schieber des Servoventils durch seine Mittelstellung geht. Da der Lastdruck vurzeichenabhängig ist, muß auch das Korrektursignal von der Aussteuerrichtung des Servoventils ab-. hängen.is used to control a switch SW, which together with a further multiplication level M.-, which is described in the above Equation given sign of the load pressure or the Ratio ρ -, / ρ taken into account. This is the shoulder SW is always activated or switched when the slide of the servo valve goes through its center position. Since the load pressure depends on the sign, the correction signal must also depend on the actuation direction of the servo valve. hang.

Über weitere Rechenglieder ergibt sich am Ausgang der Kompensationsschaltung durch die dargestellte Schaltungsanordnung die Nachbildung der oben genannten Gleichung. Das in der Schaltungsanordnung .erzeugte Korrektursignal c wird in der Multiplikationsstufe I⁷L mit dem Ausgangssignal dus Reglers R multipliziert. Das Ausgangssignal w~ der Multiplikationsstufe M-, kann durch die Übertragungsfunktion des Servoventils weiter verbessert werden. Es wird hierzu z.B. mit dem gemessenen inversen Frequenzgang des Servoventils multipliziert, ehe es dem Servoventil selbst zugeleitet wird.The above-mentioned equation is simulated at the output of the compensation circuit by means of the circuit arrangement shown via further computing elements. The correction signal c generated in the circuit arrangement is multiplied by the output signal from the controller R ^{in the multiplication stage I 7 L.} The output signal w ~ of the multiplication stage M- can be further improved by the transfer function of the servo valve. For this purpose, it is, for example, multiplied by the measured inverse frequency response of the servo valve before it is fed to the servo valve itself.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der arfindungsgemäßen Anordnung können anstelle von Strvoventilen auch Proportionalventile verwendet werden. Anstelle eines lagegeregelten Regelkreises kann beispielsweise auch ein Regelkreis mit Geschwindigkeitsregelung oder mit einer gemischten Regelung vorhanden sein.In the method according to the invention and the method according to the invention Arrangement can also be proportional valves instead of Strvo valves be used. Instead of a position-regulated control loop, a control loop can also be used, for example with speed control or with a mixed control.

Die in der Figur dargestellte Kompensationsschaltung kann bei ausgeführten Anlagen vorteilhaft auch mit dem Regler zusammengebaut bzw. in das Reglergehäusß eingBbaut werden. Sie bildet damit praktisch einen Bestandteil des Reglers, wobei sie z.B. in Form einer Leiterplatte ausgebildet sein kann.The compensation circuit shown in the figure can advantageously also be used with the controller when the systems are implemented assembled or built into the controller housing. It practically forms part of the controller, e.g. in the form of a printed circuit board can.

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Claims

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Method and circuit arrangement for improving the Control quality at serve! .YJraulic facilities

Patent claims:

ι / learn η to improve the control quality with servohydrau Lischen facilities, especially in position regulated facilities that have a control loop that is in the essentially consists of an actuating cylinder, a servo valve, a control device and setpoint and actual value transmitters, characterized in that the the load pressure in the actuating cylinder resulting in non-linearity between control of the servo valve and valve flow is compensated by the fact that from the Load pressure or an equivalent variable, a correction signal is formed and the correction signal with the output signal of the controller is multiplied "

2 "The method according to claim 1, characterized in that the correction signal c is derived from the load pressure using the following formula:

1 '

c = (

where k = gain factor C <1); P ₁ = load pressure i p = feed pressure.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that; that the corrected output signal of the controller by the Transfer function of the servo valve is modified.

4 “Circuit arrangement to improve the control quality at servohydraulic devices, especially position-controlled devices Devices that have a control circuit that essentially consists of an actuating cylinder, a

Servo valve, a control device as well as setpoint and actual value transmitters exists to carry out the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a compensation circuit with inputs for a load pressure signal or an acceleration signal, a signal for the slide position of the servo valve and a signal for a gain factor is provided that on Control circuit and suitable transmitter for the input signals are arranged on the compensation circuit and that the compensation circuit arithmetic elements for forming a correction signal and a multiplication stage for multiplying the correction signal and the controller output signal.

5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that dB compensation circuit has correction elements for the transfer function of the servo valve.

6. Circuit arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that that the compensation circuit is a BeT forms part of the controller.