DE3831988A1

DE3831988A1 - Proportional valve with a control amplifier

Info

Publication number: DE3831988A1
Application number: DE19883831988
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl Ing Pfuhl; Friedhelm Dr Zehner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1990-04-05
Anticipated expiration: 2008-09-22
Also published as: JPH02156302A; DE3831988C2; JP3095755B2

Abstract

A proportional valve (10) with a control amplifier (13) is proposed, the integrating element (21) being connected in the style of a follow-up controller (servo follower) downstream of the proportional element (15) in the amplifier, which is designed as a state controller. With an unaltered, relatively high accuracy and a good oscillation behaviour, the dynamics can thus be further increased, especially in the small-signal region so that, with a small electronic expenditure, a rapid response of the proportional valve (10) and its drive can be attained. <IMAGE>

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Proportionalventil mit einem Regel verstärker nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on a proportional valve with a rule amplifier according to the genus of the main claim.

Es ist schon eine solches Proportionalventil mit einem Regelverstär ker aus der DE-OS 34 18 969 bekannt, bei dem der Regelverstärker als PID-Regler ausgebildet ist, der über eine Stromstufe den Proportio nalmagneten des Regelventils ansteuert. Mit derart ausgebildeten Reglern lassen sich trotz der geringen Eigendämpfung im Ventilteil hinsichtlich Dynamik und Genauigkeit relativ hohe Anforderungen er füllen. Besonders bei Werkzeugmaschinen, Kunststoff-Spritzgießma schinen, Kunststoffblasmaschinen und dergleichen werden häufig be sonders hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit hydrau lischer Antriebe gestellt. Der Antrieb soll dabei dem Sollwert mög lichst verzögerungsfrei, schnell und genau folgen. Von besonderer Bedeutung ist hier das Einschwingverhalten in eine vorgegebene Position. Dabei steht für den Regelverstärker bei Annäherung an den Sollwert eine kleiner werdende Regelabweichung zur Verfügung. Es kann nun von Nachteil sein, daß bei derartigen Reglern mit PID-Ver halten und mit einem Aufbau in Parallelstruktur der integrierend wirkende Anteil zu einer unerwünscht langen Integrationszeit führt und ein Einschleichen des Antriebs in seine Endposition hervorruft. It is already such a proportional valve with a control amplifier ker known from DE-OS 34 18 969, in which the control amplifier as PID controller is formed, the Proportio via a current stage control solenoid of the control valve. With such trained Controllers can be used in the valve part despite the low internal damping relatively high demands in terms of dynamics and accuracy to fill. Especially for machine tools, plastic injection molding machines Machines, plastic blow molding machines and the like are often used particularly high demands on the positioning accuracy hydraulic drive. The drive should be able to reach the setpoint Follow without delay, quickly and accurately. Of special What is important here is the transient response to a given one Position. It stands for the control amplifier when approaching the A decreasing control deviation is available. It can be a disadvantage that in such controllers with PID Ver hold and integrating with a structure in parallel structure effective portion leads to an undesirably long integration time and causes the drive to creep into its end position.

Ferner ist es aus der Zeitschrift o+p "Ölhydraulik und Pneumatik" 32 (1988), Nr. 7, Seiten 511 bis 515 bekannt, im Zusammenhang mit modernen Regelungskonzepten für hydraulische Antriebe einen PI-Reg ler zu verwenden. Während das Integrierglied im Regler bleibende Regelabweichungen zu Null macht, erhöht es auf der anderen Seite die Schwingungsneigung und verringert die Dynamik. Um hier Genauigkeit, Dynamik und Schwingungsneigung zu optimieren, wurde bereits vorge schlagen, das Integrierglied zuschaltbar auszubilden. Nachteilig bei einer solchen Regeleinrichtung ist vor allem, daß sie einen sehr hohen Aufwand erfordert. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Reg ler nicht als klassischer Regler ausgebildet ist.Furthermore, it is from the magazine o + p "Oil hydraulics and pneumatics" 32 (1988), No. 7, pages 511 to 515, in connection with modern control concepts for hydraulic drives a PI-Reg to use. While the integrator remains in the controller Control deviations to zero, on the other hand it increases the Tendency to vibrate and reduces dynamics. To accuracy here, Optimizing dynamics and tendency to vibrate has already been proposed propose to form the integrator switchable. A disadvantage of Such a control device is above all that it has a very requires a lot of effort. This applies in particular if the Reg ler is not designed as a classic controller.

Advantages of the invention

Das erfindungsgemäße Proportionalventil mit einem Regelverstärker mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegen über den Vorteil, daß mit sehr geringem Aufwand und ohne Änderun gen am Regelventil ein wesentlich schnelleres Einschwingen von Ven til und Antrieb erreichbar ist, insbesondere im Kleinsignalbereich. Neben der Dynamik läßt sich zugleich die Genauigkeit und die Schwingungsneigung von direkt gesteuerten Proportional- und Regel ventilen bei geringem Aufwand verbessern. Durch das Herausnehmen des integrierenden Anteils aus dem Regler und die Anordnung des Inte griergliedes nach dem Proportionalglied nach Art eines Folgereglers können die Integrationszeiten erheblich verringert werden. Dabei kann das Eingangssignal des nachgeschalteten Integriergliedes aus einem oder auch aus mehreren Signalen der davor liegenden Regler glieder bestehen.The proportional valve according to the invention with a control amplifier has with the characteristic features of the main claim about the advantage that with very little effort and without changes a much faster settling of Ven at the control valve til and drive is accessible, especially in the small signal area. In addition to the dynamics, the accuracy and the Vibration tendency of directly controlled proportional and control improve valves with little effort. By removing the integrating part from the controller and the arrangement of the inte grier element according to the proportional element in the manner of a slave controller integration times can be significantly reduced. Here can the input signal of the downstream integrator one or more signals from the controllers in front limbs exist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Proportionalventils mit Regelverstärker möglich. Vor teilhaft ist es auch, wenn gemäß Anspruch 6 das Integrierglied mit einem Widerstand gebrückt wird. Der nachgeschaltete Regler weist dann die Charakteristik eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung auf, wobei die Ausgangsgröße des nachgeschalteten Reglers in diesem Fall begrenzt ist.The measures listed in the subclaims provide for partial training and improvements in the main claim specified proportional valve with control amplifier possible. Before it is also advantageous if, according to claim 6, the integrator resistance is bridged. The downstream controller points then the characteristic of a first order delay element on, with the output of the downstream controller in this Case is limited.

drawing

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenTwo embodiments of the invention are shown in the drawing provided and explained in more detail in the following description. It demonstrate

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Proportionalventils mit einem Regelverstärker in vereinfachter Darstellung und Fig. 1 shows a first embodiment of the proportional valve with a control amplifier in a simplified representation and

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform. Fig. 2 shows a second embodiment.

Description of the embodiments

Die Fig. 1 zeigt ein Stetigventil 10, das als Proportionalventil ausgebildet ist. Dieses Proportionalventil 10 wird mittels eines Stromes angesteuert, der von einer Stromstufe 11 abgegeben wird. Die Stromstufe 11 ist als solche bekannt, arbeitet beispielsweise getak tet und bewirkt eine Erregung des Proportionalmagneten des Propor tionalventils 10. Eine Stromänderung bewirkt im Proportionalmagneten des Ventils 10 eine Kraftänderung und in Verbindung mit einer Rück stellfeder eine Auslenkung eines nicht näher dargestellten Steuer schiebers im Ventilgehäuse. Dieser Steuerschieber verschiebt gleich zeitig einen Weggeber 12, der beispielsweise als induktiver Weggeber ausgebildet sein kann. Am Ausgang des Weggebers 12 steht nunmehr ei ne zur Position des Steuerschiebers proportionale Spannung zur Ver fügung, die dem Regelverstärker 13 zugeführt wird. Fig. 1 shows a continuous valve 10 which is designed as a proportional valve. This proportional valve 10 is controlled by means of a current which is emitted by a current stage 11 . The current stage 11 is known as such, works, for example, clocked and causes excitation of the proportional magnet of the proportional valve 10 . A current change causes a change in force in the proportional magnet of the valve 10 and, in conjunction with a return spring, a deflection of a control slide, not shown, in the valve housing. This control slide simultaneously displaces a displacement sensor 12 , which can be designed, for example, as an inductive displacement sensor. At the output of the displacement sensor 12 there is now a voltage proportional to the position of the control slide available, which is fed to the control amplifier 13 .

Diese Spannung des Weggebers 12 wird jeweils an einen Eingang eines Differenziergliedes 14 und eines Proportionalgliedes 15 angelegt. Ein weiterer Eingang des Proportionalgliedes 15 steht mit einem Sollwerteingang 16 in Verbindung, an dem eine Spannung angelegt ist, die der Solleinstellung des Proportionalventils 10 und somit der je weiligen Position des Steuerschiebers entspricht. Bei dem Proportio nalglied 15 handelt sich um einen Regler, der eine von der Höhe der Regelabweichung abhängende, variable Verstärkung aufweist.This voltage of the displacement sensor 12 is applied to an input of a differentiating element 14 and a proportional element 15 . Another input of the proportional element 15 is connected to a setpoint input 16 , to which a voltage is applied which corresponds to the target setting of the proportional valve 10 and thus to the respective position of the control slide. The proportional member 15 is a controller that has a variable gain that depends on the magnitude of the control deviation.

Das Ausgangssignal des Proportionalgliedes 15 wird einerseits über einen Widerstand 17 einem ersten Summierverstärker 18 zugeführt, während dasselbe Ausgangssignal parallel dazu über einen Widerstand 19 einem Integrierglied 21 eingegeben wird. Das Ausgangssignal des Differenziergliedes 14 wird über eine zusätzliche Differenzierstufe 22 und über einen dazu parallel liegenden Widerstand 23 dem Eingang des ersten Summierverstärkers 18 zugeführt. Die Ausgangssignale des Integriergliedes 21 und des ersten Summierverstärkers 18 werden je weils über einen Widerstand 25 bzw. 24 einem zweiten Summierverstär ker 26 zugeführt, dessen Ausgangssignal die Stromstufe 11 ansteuert. Geeignete Schaltungen für das Proportionalglied 15, das Differen zierglied 14 und das Integrierglied 21 sind an sich bekannt und be dürfen keiner näheren Erläuterung.The output signal of the proportional element 15 is supplied on the one hand to a first summing amplifier 18 via a resistor 17 , while the same output signal is input to an integrating element 21 in parallel via a resistor 19 . The output signal of the differentiating circuit 14 is supplied via an additional differentiating stage 22 and a resistor 23 in parallel therewith to the input of the first summing amplifier 18th The output signals of the integrating element 21 and the first summing amplifier 18 are each supplied via a resistor 25 or 24 to a second summing amplifier 26 , the output signal of which drives the current stage 11 . Suitable circuits for the proportional member 15 , the Differen ornamental member 14 and the integrating member 21 are known per se and may not be a further explanation.

Das direktgesteuerte Proportionalventil 10 läßt sich mit Hilfe des Regelverstärkers 13 hinsichtlich seines dynamischen Verhaltens ver bessern, ohne dabei Nachteile hinsichtlich der anderen Eigenschaf ten wie Genauigkeit und Schwingungsneigung in Kauf zu nehmen. Dabei wird durch das Differenzieren des Istwertes im Differenzierglied 14 eine Geschwindigkeitsrückführung und das wiederholte Differenzieren in der Differenzierstufe 22 eine Beschleunigungsrückführung gebil det, die dann mit einer geeigneten Gewichtung des proportionalen An teils aus dem Proportionalglied 15 in dem ersten Summierverstärker 18 aufaddiert wird. Zugleich wird das Ausgangssignal des Proportio nalgliedes 15 dem Integrierglied 21 zugeführt, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Summierverstärkers 18 im zweiten Summierverstärker 26 aufsummiert werden. Erst dessen Aus gangssignal steuert die Stromstufe 11 an. Durch dieses Herausziehen des Integrieranteils aus dem Regler und dessen Nachschaltung zum Proportionalglied 15 wird erreicht, daß die bisher üblichen Inte grationszeiten erheblich verkürzt werden, wobei eine Verringerung um eine Größenordnung erzielbar ist. Unter Beibehaltung bisheriger Vor teile wie hohe Genauigkeit und geringe Schwingungsneigung wird da durch die Dynamik der Regelung erhöht, so daß der Antrieb schnell und genau in seine Endposition einregeln kann. Die Struktur des Re gelverstärkers 13 nach Art einer Folgeregelung in bezug auf den In tegralanteil läßt sich in relativ einfacher Weise mit elektronischen Mitteln realisieren. Das Integrierglied 21 ist dabei ständig im Ein griff und wird zu keinem Zeitpunkt abgeschaltet.The directly controlled proportional valve 10 can be improved with the help of the control amplifier 13 in terms of its dynamic behavior without taking disadvantages in terms of the other properties such as accuracy and tendency to oscillate. By differentiating the actual value in the differentiating element 14, a speed feedback and the repeated differentiating in the differentiating stage 22 an acceleration feedback is formed, which is then added with a suitable weighting of the proportional part from the proportional element 15 in the first summing amplifier 18 . At the same time, the output signal of the proportional element 15 is fed to the integrating element 21 , the output signal of which is summed together with the output signal of the first summing amplifier 18 in the second summing amplifier 26 . Only its output signal controls the current stage 11 . By pulling the integrating portion out of the controller and connecting it to the proportional element 15 , it is achieved that the integration times previously customary are considerably shortened, a reduction of an order of magnitude being achievable. While maintaining previous parts such as high accuracy and low tendency to oscillate is increased by the dynamics of the control, so that the drive can quickly and accurately adjust to its end position. The structure of the re gel amplifier 13 in the manner of a sequence control with respect to the integral part can be realized in a relatively simple manner with electronic means. The integrator 21 is constantly in hand and is never switched off.

Die Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen zweiten Regelverstärker 30, der sich vom ersten Regelverstärker 13 nach Fig. 1 wie folgt unterscheidet, wobei für gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden. FIG. 2 shows, as a further exemplary embodiment, a second control amplifier 30 , which differs from the first control amplifier 13 according to FIG. 1 as follows, the same reference symbols being used for the same components.

Beim zweiten Regelverstärker 30 wird als Eingangssignal für das In tegrierglied 21 das Ausgangssignal des ersten Summierverstärkers 18 verwendet. Ferner ist das Integrierglied 21 durch einen Widerstand 31 überbrückt. Die Wirkungsweise des zweiten Regelverstärkers 30 un terscheidet sich von derjenigen des ersten Regelverstärkers 13 vor allem dadurch, daß im Integrierglied 21 nun die Anteile mehrerer vorgeschalteter Reglerglieder wirksam werden. Neben dem Proportio nalanteil kann damit auch die Geschwindigkeitsrückführung und die Beschleunigungsrückführung ihre Wirkung entfalten. Eine zusätzliche Verbesserung kann erzielt werden, wenn das Integrierglied 21 durch den Widerstand 31 gebrückt wird und damit das Integrierglied 21 die Charakteristik eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung (PT 1) auf weist. Die Ausgangsgröße des nachgeschalteten Reglers 21 ist in die sem Fall begrenzt. Im übrigen werden auch hier die Ausgangssignale des vor- und des nachgeschalteten Reglers aufaddiert und wirken ge meinsam auf die Stromstufe 11, über welche das Proportionalventil 10 angesteuert wird. In the second control amplifier 30 , the output signal of the first summing amplifier 18 is used as the input signal for the integrating element 21 . Furthermore, the integrating element 21 is bridged by a resistor 31 . The mode of operation of the second control amplifier 30 un differs from that of the first control amplifier 13 primarily in that the components of a plurality of upstream control elements now take effect in the integrating element 21 . In addition to the proportional share, speed feedback and acceleration feedback can also have an effect. An additional improvement can be obtained when the integrator is to be bridged by the resistor 31 and 21 so that the integrator 21, the characteristic (1 PT) has a delay element of first order. The output variable of the downstream controller 21 is limited in this case. In addition, the output signals of the upstream and downstream controllers are added up and act together on the current stage 11 , via which the proportional valve 10 is controlled.

Selbstverständlich sind an den gezeigten Ausführungsformen Änderun gen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.Of course, there are changes to the embodiments shown gene possible without departing from the spirit of the invention.

Claims

1. Proportional valve with a control amplifier, which is designed as a PI controller with speed feedback and acceleration feedback, the control amplifier receiving the signals of a displacement sensor for the position value of the proportional valve and a setpoint, characterized in that the proportional element ( 15 ) has a variable gain which is dependent on the magnitude of the control deviation and the integrating element ( 21 ) is designed as a follow-up regulator to the proportional element ( 15 ).

2. Proportional valve according to claim 1, characterized in that the output signal of the proportional element ( 15 ) is fed to the input of the integrating element ( 21 ) and a summing amplifier ( 18 ), the latter also being supplied with the output signal of the differentiating element ( 14 , 22 ).

3. Proportional valve according to claim 2, characterized in that the output signals from the integrating element ( 21 ) and the first summing amplifier ( 18 ) are fed to a second summing amplifier ( 26 ).

4. Proportional valve according to claim 1, characterized in that the integrating element ( 21 ) with the common output signals of the proportional element ( 15 ) and differentiating element ( 14 , 22 ) is applied.

5. Proportional valve according to claim 4, characterized in that the integrating element ( 21 ) is connected in parallel with a resistor ( 24 ) between the output of a first ( 18 ) and the input of a second sum amplifier ( 26 ).

6. Proportional valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the integrating member ( 21 ) is bridged with a resistor ( 31 ).