DE3788232T2 - Kontrollsystem einer Kupplungseinrichtung für Schlepper. - Google Patents

Kontrollsystem einer Kupplungseinrichtung für Schlepper.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steuerung einer Kupplungseinrichtung relativ zum Schlepper und stellt eine Ausscheidung aus der anhangigen Europäischen Patentanmeldung 87302289.1 dar.
  • Elektronische Steuersysteme zur Regelung der Lage einer Geräteaufhängung relativ zum Schlepper sind bekannt. Im allgemeinen wird die Steuerung nach dem Ansprechen auf einen Betriebsparameter des Schleppers und/oder der Aufhängung durchgeführt und erreicht durch Vergleichen eines Soll-Wertes des ausgewählten Betriebsparameters mit dem Ist-Wert dieses Parameters, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches zur Steuerung der Bewegung der Aufhängung verwendet wird, woraufhin das Fehlersignal auf Null zurückgeführt wird.
  • Ein derartiges System ist im EP 0151323 beschrieben. Es umfaßt Sensoren zum Erfassen des Ist-Wertes einer Anzahl Betriebsparameter (Radschlupf, Motordrehzahl, Zugkraft und Geräte- oder Hubwellenlage), sowie Vorrichtungen zum Einstellen von Soll-Werten für jeden dieser Parameter. Für jeden Parameter wird ein Fehlersignal durch Vergleich der Soll- und Ist-Werte gewonnen, wodurch ein zusammengesetztes Fehlersignal erzeugt wird. Die Aufhängung wird dann entsprechend dem zusammengesetzten Fehlersignal gesteuert.
  • Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Kontrollsystems für die Steuerung einer Schleppergeräte-Aufhängung.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollsystem für eine Schlepper- Kupplungseinrichtung zur Regelung der Lage einer Geräteaufhängung relativ zum Schlepper vorgesehen, das auf einen Betriebsparameter des Schleppers und/oder der Aufhängung anspricht, unter Verwendung einer zwischen Aufhängung und Schlepper angeordneten Vorrichtung zur Betätigung der Aufhängung, bestehend aus
  • Vorrichtungen zum Einstellen eines Soll-Wertes des Betriebsparameters,
  • Vorrichtungen zum Erfassen des Ist-Wertes des Betriebsparameters,
  • einer ersten Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Soll- und Ist- Werte des Betriebsparameters zur Erstellung eines ersten Fehlersignals und
  • einer auf das Fehlersignal reagierenden Regeleinrichtung zur Steuerung der Betätigung der Aufhängung, gekennzeichnet dadurch, daß
  • eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitseinstellung zum Festlegen einer von der Größe des ersten Fehlersignals abhängigen Geschwindigkeit der Aufhängung relativ zum Schlepper,
  • Mittel zum Erstellen eines Signals entsprechend der Ist-Geschwindigkeit der Aufhängung, sowie
  • eine zweite Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Soll- und Ist- Geschwindigkeiten der Aufhängung zur Abgabe eines zweiten Fehlersignals vorgesehen sind und
  • die Regeleinrichtung auf das zweite Fehlersignal reagiert, um die Betätigung der Aufhängung derart zu steuern, daß die ersten und zweiten Fehlersignale auf Null reduziert werden.
  • Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird nachstehend beispielhaft beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Steuerung der Schlepperaufhängung,
  • Fig. 2 eine Kurve, welche die Abweichung der Soll-Geschwindigkeit vom Steuerparameter darstellt und
  • Fig. 3 eine Kurve, welche den Anstieg des vom Kontrollsystem aufgebrachten Anfahrsignals über der Zeit darstellt.
  • Gemäß Fig. 1 besteht die Schlepperaufhängung aus einem Paar Unterlenker 10 (von denen in Fig. 1 nur einer gezeigt ist) und einem Oberlenker (nicht dargestellt), welche an der Rückseite eines Schlepperrumpfes 11 drehbar angelenkt sind. Die Lage der Unterlenker 10 relativ zum Rumpf 11 wird durch einen Hydraulik-Kolben 12 geregelt, der mit den Unterlenkern 10 über eine übliche drehbare Querwelle 13 verbunden ist, welche ein Paar Hubarme 23 und Hubstangen 24 trägt.
  • Das Kontrollsystem steuert die Drehbewegung der Querwelle 13 und damit die Lage der zugeordneten Unterlenker 10.
  • Die Steuerung der Zufuhr hydraulischer Druckflüssigkeit zum Kolben 12 und der Abfluß der Flüssigkeit vom Kolben wird durch ein magnetbetätigtes Ventil 14 bewirkt, welches durch eine Pumpe 15 mit Druckflüssigkeit versorgt wird und Flüssigkeit in einen Behälter 16 abführt.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten System wird die Bewegung der Querwelle 13 und damit der Unterlenker 10 gemäß den Werten der Parameter "Lage der Aufhängung" und auf die Aufhängung ausgeübte "Zugkraft" gesteuert. Die Soll-Werte der Lage oder der Zugkraft werden vom Bedienungsmann unter Verwendung der Einstellvorrichtung S eingestellt, welche aus einem geeigneten Dreh- oder einem Linear-Potentiometer bestehen kann. Dieser Soll- Wert wird an einen Eingang eines Lage-Komparators P und eines Zugkraft- Komparators D gegeben. Dem anderen Eingang des Lage-Komparators P wird die tatsächliche Lage der Querwelle 13 unter Verwendung eines Lagesensors 17 eingespeist, welcher in Verbindung mit einem Nocken 17' steht, der sich mit der Welle 13 dreht. Dem anderen Eingang des Zugkraft-Komparators D wird die tatsächliche, vom Gerät auf die Unterlenker 10 ausgeübte Zugkraft von einem Zugkraftsensor 18 eingegeben. Es ist ersichtlich, daß die Lagesensoren 17 und der Zugkraftsensor 18 beliebiger Konstruktion sein können, sofern sie in der Lage sind, ein elektrisches Signal proportional entweder zur Aufhängungslage oder zur Zugkraft abzugeben, und sie können so angeordnet sein, daß sie auf irgendein Bauteil einwirken, welches sich entweder zusammen mit der Aufhängung bewegt oder der Zugkraft unterworfen ist.
  • Soll das Kontrollsystem in Übereinstimmung mit dem Lage-Parameter arbeiten, wird der Schalter 19 auf die voll ausgezogene Linienstellung gemäß Fig. 1 gestellt, und das vom Lage-Komparator kommende Lagefehlersignal wird in das übrige Kontrollsystem eingeführt. In ähnlicher Weise wird, wenn das Kontrollsystem nach dem Zugkraft-Parameterarbeiten soll, der Schalter in die gestrichelt dargestellte Position 19' gelegt, wodurch das vom Komparator D ausgehende Zugkraft-Fehlersignal dem übrigen Kontrollsystem eingespeist wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangssignal vom Komparator P oder vom Komparator D einer Geschwindigkeits-Einstellvorrichtung VS zugeleitet, welche eine Drehgeschwindigkeit v für die Querwelle 13 bewirkt, die abhängig ist von der Größe des Lage- oder des Zugkraft- Fehlers E gemäß der Kurve nach Fig. 2. Je größer also der Fehler ist, desto größer ist die Soll-Geschwindigkeit zwischen den Maximal- und Minimal-Geschwindigkeitswerten, beispielsweise dargestellt durch die Linien X und Y in Fig. 2. In einem typischen Beispiel sind die Maximal- und die Minimal-Geschwindigkeitswerte 43 cm Soll bzw. 3 cm Soll. Wie man aus Fig. 2 ersehen kann, weist das Fehlersignal eine Totzone Z auf, innerhalb welcher keine Korrekturen vorgenommen werden.
  • Das Ausgangssignal der Geschwindigkeits-Einstellvorrichtung VS wird dem einen Eingang eines Geschwindigkeits-Komparators V zugeführt. Der andere Eingang des Komparators V empfängt Signale von einem Differentiator 20, welcher das Lagesignal vom Sensor 17 nach der Zeit differenziert und ein Signal proportional zur Ist-Geschwindigkeit der Querwelle 13 abgibt. Das Ausgangssignal des Komparators V wird von einer in Fig. 1 mit PI bezeichneten Proportional-/Integral-Regeleinrichtung verarbeitet, und dieses bearbeitete Signal wird dann über eine Additionsverbindung SJ einer Impulsbreiten-Modulationseinrichtung PWM nach Fig. 1 zugeführt. Diese Einrichtung PWM gibt dann, abhängig vom Wert und von der Markierung des Signals vom Komparator V und der Regeleinrichtung PI, über eine Leitung 21 Signale aus, um eine "Heben"- Magnetspule des Ventils 14 in Schwingungen zu versetzen, so daß Druckflüssigkeit zum Kolben 12 gefördert wird und dadurch die Zugstangen 10 angehoben werden, oder sie gibt über eine Leitung 22 Signale aus, um eine "Senken"-Magnetspule L des Ventils 14 in Schwingungen zu versetzen, wodurch der Kolben 12 mit dem Behälter 16 verbunden wird, was den Unterlenkern 10 auf Grund der Schwerkraft ermöglicht, abzusinken. Falls vom Komparator V kein Fehlersignal ausgegeben wird, gibt die Modulationseinrichtung PWM Signale weder über die Leitung 21 noch über die Leitung 22 ab, und das Ventil 14 wird in seiner neutralen Stellung festgelegt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, wodurch die Unterlenker 10 in ihrer gegenwärtigen Lage gehalten werden.
  • Mit dem beschriebenen Schleppergeräte-Regelsystem kann der Bedienungsmann beispielsweise den Schalter 19 gemäß Fig. 1 stellen und sich damit für eine Regelung der Lage der Unterlenker 10 in Übereinstimmung mit der an der Einstellvorrichtung S eingestellten Soll-Lage entscheiden. Beim Betrieb in diesem sog. "Lageregelung"-Verfahren wird das Lage-Fehlersignal E über den Schalter 19 an die Vorrichtung VS zur Geschwindigkeitseinstellung weitergeleitet. Wie oben ausgeführt, wird die von der Vorrichtung VS gegebene Geschwindigkeit v um so höher, je größer der Lagefehler ist. Der Geschwindigkeitskomparator V erzeugt ein Geschwindigkeits-Fehlersignal durch Vergleichen der Soll-Geschwindigkeit aus der Vorrichtung VS mit der Ist-Geschwindigkeit der Querwelle aus dem Differentiator 20. Dieses Geschwindigkeits-Fehlersignal wird im PI-Regler verarbeitet und ein geeignetes Heben- oder Senken-Signal der entsprechenden Magnetspule des Ventils 14 übermittelt, um sowohl die Geschwindigkeits-, wie die Lage-Fehler auf Null zurückzuführen. Sobald der Lage-Fehler vom Komparator P innerhalb der Totzone Z liegt, wird durch die Einrichtung PWM keine weitere Korrektur vorgenommen, und das Ventil 14 wird somit in seiner neutralen Stellung gehalten, bis der nächste Lagefehler erfaßt wird, woraufhin der Vorgang sich wiederholt.
  • Es wird ersichtlich, daß das Kontrollsystem nach dem sog. "Zugkraft"- Regelverfahren arbeiten kann, wenn der Schalter in die Stellung 19' gelegt wird. Das System arbeitet in der genau gleichen Weise wie oben beschrieben, außer daß die Vorrichtung VS zur Geschwindigkeits-Einstellung die Geschwindigkeiten abhängig vom Zugkraft-Fehlersignal vom Komparator D festlegt, und es wird dann keine weitere Korrektur vorgenommen, sobald das Zugkraft-Fehlersignal innerhalb der Totzone Z liegt. Außerdem gewährleistet die Anordnung der Vorrichtung VS zur Geschwindigkeitseinstellung und des Geschwindigkeits-Rückmeldekreises eine schnellere Reaktion als mit einem nur mit Lage- oder Zugkraft-Rückmeldekreis arbeitenden System zu erreichen wäre.
  • Während das obige System zwar wie beschrieben arbeitet, ist es doch nicht ideal bezüglich der Ansprech-Charakteristik auf Grund der etwas unvorhersehbaren Art des Ansprechverhaltens von Magnetventilen auf eine bestimmte Größe eines Steuersignals.
  • Zum Abmildern der genannten Probleme ist das System in Übereinstimmung mit der anhängigen Europäischen Patentanmeldung 87302289.1 mit einer in Fig. 1 mit SUC bezeichneten Anfahrsteuer-Funktion versehen, welche das Fehlersignal entweder vom Lage-Komparator P oder vom Zugkraft-Komparator D empfängt und wie nachstehend beschrieben über die Additionsverbindung SJ Signale an die Einrichtung PWM abgibt.
  • Wenn das System nach dem Lageregelungs-Verfahren arbeitet, wie durch die Lage des Schalters 19 in Fig. 1 dargestellt ist, so gibt bei jeder Wahrnehmung eines Lagefehlers vom Komparator P außerhalb der Totzone Z die Anfahrsteuerung ein Signal an die Einrichtung PWM, um ein Anfahrsignal SUS (dargestellt bei AO in Fig. 3, die eine typische SUS-Abweichung über der Zeit (T) darstellt) auszusenden und entweder die Heben- oder die Senken- Magnetspule des Ventils 14 abhängig von der Markierung des Lagefehlersignals zu betätigen.
  • Die Größe des Signals AO (das einen bestimmten PWM-Wert darstellt) ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sie geringfügig (beispielsweise 5% oder 10%) unter dem Minimalsignal liegt, das zum Bewirken einer Bewegung der Querwelle 13 für erforderlich angesehen wird, um eine weiche und weniger ruckartige Anfangsreaktion zu gewährleisten. Diese Minimal-Signalebene ist vom Systemkonstrukteur leicht zu bestimmen, wenn Prototyp-Ausführungen getestet werden. Wenn als Ergebnis der Anwendung des Anfahrsignals AO kein Geschwindigkeitssignal vom Differentiator 20 (als Zeichen dafür, daß die Querwelle 13 sich nicht bewegt hat) empfangen wird, so wird die Größe des Anfahrsignals gesteigert (im beschriebenen Beispiel linear bei schneller Integration, wie durch Abschnitt B der Fig. 3 dargestellt), bis ein Signal vom Differentiator 20 (siehe Punkt C in Fig. 3) empfangen wird, das den Beginn der Bewegung der Querwelle 13 anzeigt. In einem typischen Beispiel liegt Punkt C bei etwa 150 ms, während die PWM-Frequenz beispielsweise 60 Hz beträgt oder eine Periode von 16 ms darstellt.
  • Das Auftreten des Geschwindigkeits-Signals vom Komparator 20 schaltet die Anfahrsteuerfunktion aus, so daß die Steuerung der weiteren Bewegung der Querwelle 13 einzig abhängt von den Geschwindigkeits-Fehlersignalen vom Komparator V, welche durch das PI-Regelsystem verarbeitet werden, wie im Abschnitt D der Fig. 3 angedeutet ist. Das Ausschalten der Funktion SUC ist in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 25, welche den Differentiator 20 und die Funktion SUC verbindet, schematisch dargestellt.
  • Die Bewegung des Schiebers des Ventils 14 tendiert immer dazu, hinter dem durch die Einrichtung PWM an das Ventil gegebenen Signal nachzueilen. Wird daher eine Bewegung der Querwelle 13 im Punkt C (Fig. 3) festgestellt, so wird die erfolgte Ist-Bewegung des Ventilschiebers um Bruchteile geringer sein als die, welche sich durch die Eingabe eines Signals mit dem Wert CO ergeben müßte. Nach Ausschalten der Funktion SUC, wenn die Steuerung des Systems einzig vom PI-Regler abhängt, übernimmt die Einrichtung PWM die Steuerung bei einer Signal-Bezugsebene C'O (siehe Abschnitt D der Fig. 3), welche geringfügig niedriger als das Signal CO ist. Diese Signal-Bezugsebene D wird während der Korrektur eines gegebenen Lagefehlers in der Funktion SUC gehalten und als Bezugsgröße benutzt, entsprechend der die Einrichtung PWM während der Korrektur eben dieses Lagefehlers arbeitet.
  • Wie erkennbar wird, erhöht die anfängliche Anlegung des Anfahrsignals AO an der zugeordneten Magnetspule des Ventils 14 die Reaktionsgeschwindigkeit des Kontrollsystems beträchtlich, da der Verstärkungsgrad des Ventilsteuersignals größer ist als der, den man durch die PI-Regelung allein erhält.
  • Die Leistung des Systems wird noch weiter verbessert, wenn die Anfahrsteuerfunktion dazu vorgesehen wird, die Größe des Anfahrsignals zu speichern, die erforderlich ist, ein Ist-Geschwindigkeitssignal vom Komparator 20 bei Beginn jeder Korrektur eines Lagefehlers zu erzeugen.
  • Dieser gespeicherte Wert des Anfahrsignals kann dann zum Verstellen des Niveaus nachfolgender Anfahrsignale bei späteren Lagefehler-Korrekturen benutzt werden.
  • Wenn beispielsweise (Fig. 3) das System ein Anfahrsignal AO an das Ventil gibt und keine Bewegung der Querwelle 13 wahrgenommen wird, bis das Anfahrsignal wie oben beschrieben auf den Wert CO angestiegen ist, steuert die Anfahrsteuereinrichtung die Signalgröße CO und kann zum Verstellen des anfänglichen Anfahrsignals AO durch eine angemessene Anzahl vorher bestimmter Zuwachsgrößen eingesetzt werden, wenn die Differenz zwischen dem Ist-Signal CO und dem anfänglich eingegebenen Signal AO größer ist als die maximal erwartete Abweichung im Anfahrsignal. Diese Abweichung ist in Fig. 3 mit W bezeichnet und kann vom Konstrukteur eines spezifischen Systems während der Tests von Prototyp-Systemen festgelegt werden. Es wird ersichtlich, daß das Anfahrsignal AO in der oben beschriebenen Weise entweder vergrößert oder vermindert werden kann, je nachdem, ob die Ist-Größe des zum Bewegen der Querwelle 13 erforderlichen Signals größer oder kleiner ist als das anfänglich aufgebrachte Anfahrsignal AO.
  • Weitere Vorgänge können durch die Anfahrsteuereinrichtung gesteuert werden. Erfolgt beispielsweise die Bewegung der Querwelle 13 vor einer festgelegten Minimal-Verzögerung (in einer Größenordnung von z. B. etwa 50-150 ms), so kann das System so ausgelegt sein, daß es gewährleistet, daß keine Verstellung des Anfahrwertes AO erfolgt. Das schützt vor Erfassung falscher Anfahrwerte, welche durch Bewegungen der Aufhängung auf Grund äußerer Einflüsse, wie dem Auftreffen auf unter der Oberfläche liegendes Gestein oder anderer Objekte verursacht werden.
  • Es wird deutlich, daß das System nach dem Zugkraft-Verfahren arbeitet, wenn der Schalter 19 sich in der Stellung 19' befindet. In dieser Schalterstellung erfolgt der Betrieb des Systems in gleicher Weise wie in der Stellung der Lage-Regelung, mit der Ausnahme, daß die Geschwindigkeits-Einstellvorrichtung VS die Geschwindigkeiten für die Querwelle 13 abhängig vom Zugkraftfehler vom Komparator D einstellt.
  • Es ist zu sehen, daß das erfindungsgemäße Kontrollsystem besonders geeignet ist bei Verwendung eines oder mehrerer Mikroprozessoren, und daß die schematische Darstellung der Erfindung in der Art eines Flußdiagramms verwendet wurde, um die grundlegende Erläuterung des Arbeitsverfahrens des Kontrollsystems zu vereinfachen.

Claims (4)

1. Kontrollsystem für eine Kupplungseinrichtung für Schlepper zur Regelung der Lage einer Geräteaufhängung (10, 13) relativ zum Schlepper (11), das auf einen Betriebsparameter des Schleppers und/oder der Aufhängung anspricht, unter Verwendung einer zwischen der Aufhängung und dem Schlepper angeordneten Vorrichtung (12) zur Betätigung der Aufhängung, wobei das Kontrollsystem aus
einer Vorrichtung S zum Einstellen eines Soll-Wertes des Betriebsparameters,
Mitteln (17, 18) zum Erfassen des Ist-Wertes des Betriebsparameters,
einem ersten Komparator (P, D) zum Vergleichen der Soll- und Ist- Werte des Betriebsparameters zur Erstellung eines ersten Fehlersignals, sowie
auf das Fehlersignal reagierenden Regeleinrichtungen (PI, PWM) zum Steuern der Betätigung der Aufhängung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vorrichtung VS zur Geschwindigkeitseinstellung zum Festlegen einer von der Größe des ersten Fehlersignals abhängigen Geschwindigkeit (v) der Aufhängung relativ zum Schlepper,
Mittel zum Erstellen eines der Ist-Geschwindigkeit der Aufhängung entsprechenden Signals,
ein zweiter Komparator (V) zum Vergleichen der Soll- und Ist-Geschwindigkeiten der Aufhängung und Abgeben eines zweiten Fehlersignals vorgesehen sind und
die Regeleinrichtungen auf das zweite Fehlersignal reagieren, um die Betätigung der Aufhängung derart zu steuern, daß die ersten und zweiten Fehlersignale auf Null reduziert werden.
2. Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Erstellen des die Ist-Geschwindigkeit der Aufhängung darstellenden Signals einen Differentiator (20) aufweist, welcher ein vom Lagesensor (17) der Aufhängung kommendes Lagesignal ableitet.
3. Kontrollsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (PI) eine Totzone (Z) aufweist, wodurch das System keine Korrektur vornimmt, wenn das erste Fehlersignal innerhalb der eingestellten Totzone liegt.
4. Kontrollsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (PI, PWM) unter Verwendung eines Impulsmodulationsverfahrens ein Steuersignal an die Betätigung der Aufhängung abgeben.
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