DE4315626C1 - Steuerung für einen hydraulischen Antrieb - Google Patents

Steuerung für einen hydraulischen Antrieb

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen hydraulischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei diesen bekannten Steuerungen wird die für die Regelung maß­ gebende Signalgröße über die Zeit nach dem Iterationsprinzip er­ mittelt und demgemäß so oft nachkorrigiert bis der Antrieb den gewünschten Sollwertverlauf durchführt. Diese bekannten Steue­ rungen sind praktisch nur für in einer kurzen Zeitspanne sich abspielende Steuerprogramme wegen der zeitaufwendigen empiri­ schen Ermittlung des Sollwertverlaufes der Ventilöffnung einzu­ setzen. Für Antriebe mit einem längeren Bewegungsablauf werden deshalb Regeleinrichtungen eingesetzt, deren wesentliches Merk­ mal im Vergleich von Soll- und Istwert gleicher Zustandsgrößen wie Lage, Geschwindigkeit, Kraft oder Druck besteht. Um die Ab­ weichung vom Soll- und Istwert (Amplitudenabfall und Phasennach­ eilung) möglichst gering zu halten, werden über Rechner dem Sollwert zusätzliche den Antrieb beeinflussende Größen aufsum­ miert. Für die Berechnung des zu korrigierenden Sollwertes wird die Frequenzanalyse angewandt.
Bei einem bekannten Regelverfahren wird bei der Berechnung des korrigierten Sollwertes für jede Regelachse die Frequenzanalyse angewandt. In einem Vorversuch (Identifikation) wird der Fre­ quenzgang und damit das Übertragungsverhalten jeder servohydrau­ lischen Regelachse bestimmt. Anschließend wird für die nach­ zufahrende Sollwertkurve ebenfalls eine Frequenzanalyse durchge­ führt, um mit Hilfe des im Identifikationslauf gewonnenen Übertragungsverhaltens die richtigen Sollwerte für die servo­ hydraulischen Regelachsen berechnen zu können.
Die Berechnung des korrigierten Sollwertes muß dabei vor dem ei­ gentlichen Versuchsdurchlauf erfolgen, wobei das gemessene Über­ tragungsverhalten und der daraus berechnete korrigierte Sollwert im digitalen Rechner abgespeichert werden.
Bei dem mathematischen Rechenprozeß für die Ermittlung des kor­ rigierten Regelkreissollwertes ist zu beachten, daß die bei der Identifikation gewonnene Systemmatrix nicht direkt anwendbar ist. Es ist erforderlich, daß die Systemmatrix invertiert wird und die Sollwertkurve in den Frequenzbereich transformiert wird. Erst nach der mathematischen Berechnung im Frequenzbereich kann das berechnete Sollwertsignal in den Zeitbereich zurückgeführt werden. Die Berechnungsprogramme sind nur für ein bestimmtes Zeitfenster anwendbar.
Eine zeitliche längere Sollwertkurve muß deshalb in entspre­ chende zeitliche Einzelschritte zerlegt werden. Eine Überein­ stimmung zwischen Soll- und Istwert ist nach der ersten Soll­ wertberechnung nicht zu erwarten. Eine bessere Annäherung wird durch weitere Berechnungsgänge für den korrigierten Sollwert er­ zielt. Dabei wird als Referenz für den Soll-Istwertvergleich auf den Istwertverlauf des letztgefahrenen Versuches zurückgegrif­ fen.
Mit diesen bekannten Regel- und Berechnungsverfahren lassen sich zufriedenstellende Ergebnisse erreichen, wenn z. B. für eine Wegregelung (Zylinderantrieb), bei der die Geschwindigkeitsan­ teile einen dominanten Anteil haben und sich der Lastdruck nur in kleineren Bereichen ändert, die Anteile der Ölkompression durch geringe dynamische Kraft- und Laständerungen am Verbrau­ cher prozentual klein sind und die Lastdruckänderung für den ge­ samten Frequenzbereich der Strecken-Identifikation als auch im gesamten Frequenzbereich der vorgegebenen Sollwertkurve iden­ tisch sind.
Für Regelungen, bei denen die Kraft- und damit Druckänderungen dynamisch sehr schnell erfolgen, oder bei Regelungen mit höherer Dynamik und damit höherem dynamischen Massenanteil, liefert die­ ses bekannte Regel- und Berechnungsverfahren nur noch bedingt brauchbare Ergebnisse, da kein linearer Zusammenhang zwischen Durchflußmenge und Ventilöffnung besteht und die Anteile der Öl­ kompression hier einen dominanten Einfluß haben können. Die richtige mathematische Bewertung der Anteile der Ölkompression wird bei Zylinderantrieben dadurch erschwert, daß zu jedem Zeit­ punkt auch das zugehörige zu komprimierende Ölvolumen und damit die Stellung der Zylinderkolbenstange in die Berechnung einge­ setzt werden muß.
Bei außermittiger Kolbenstellung und die damit verbundenen un­ terschiedlichen Ölmengen in den Zylinderräumen und unterschied­ liche Leitungsvoluminas zwischen Ventil und Zylinder ergeben an den Steuerkanten an dem Servo- bzw. Steuerventil unterschiedli­ che Durchflußwerte. Für die Berechnung der richtigen Ventilöff­ nung muß auch der aktuelle Druckabfall an den Steuerkanten ein­ gesetzt werden.
Dies gilt auch bei zustandsgeregelten Antriebssystemen entspre­ chend dem Aufsatz "Automatisierte Inbetriebnahme zustandsgere­ gelter Antriebssysteme" von Günter Pritschow und Rainer Hagl, in Ölhydraulik und Pneumatik 34 (1990) Nr. 8. S. 544 bis 547 sowie bei digitalen, nichtlinearen Regelungen und Identifikationsver­ fahren gemäß dem Aufsatz "Digitale, nichtlineare Regelungen und Identifikationsverfahren für elektrohydraulische Vorschuban­ triebe" von M. Egner und G. Keuper, in Ölhydraulik und Pneumatik 29 (1985) Nr. 9, S. 669 bis 677. Mit diesen Regelungen läßt sich gegenüber einfachen Reglern der Nachlauffehler verringern. Ganz ausschalten insbesondere bei hohen und schnellen Last- und Ge­ schwindigkeitsänderungen läßt sich der Regelfehler nicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ansteuerung von hydraulischen Antrieben nach einem vorgegebenen Sollwertverlauf zu verbessern, bei der zeitaufwendige Optimierungsläufe mit meh­ reren Versuchsdurchläufen unterbleiben können und der Istwert­ verlauf dem Sollwertverlauf für die Bewegung des hydraulischen Antriebes weitgehend entspricht. Dies wird mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels.
Durch die zeitlich vorausschauende Sollwertberechnung für die Bewegung des Antriebes tritt ein Nachlauffehler überhaupt nicht auf. Die ständige Einbindung der aktuellen Betriebszustände des Antriebssystems in die fortlaufende Sollwertberechnung berück­ sichtigt die physikalischen Einflüsse der Ölkompression und der nicht linearen Lastdruckabhängigkeit mathematisch exakt.
Ferner werden bei der Ventil-Sollwertberechnung auch die für einen exakten Beschleunigungs- bzw. Kraftverlauf so wichtigen Einflüsse wie plötzliche Lastdruckänderungen an den Steuerkanten bei Nulldurchgang des 4-Wege-Regelventils, lastdruckabhängige Null-Leckage des Servoventils sowie lastdruckabhängige Leckage hydrostatisch gelagerter Servozylinder berücksichtigt.
Bei ein- und mehrachsigen Regelkreisen werden die auf die servo­ hydraulische Regelachse einwirkenden dynamischen Kräfte oder auch Drücke vorausschauend On-Line berechnet. Bei mehrachsigen Systemen wird die Kraftverkoppelung der Achsen untereinander durch einen Geometrierechner ermittelt. Die dynamischen Kräfte oder auch Drücke jeder servohydraulischen Achse werden bei der Ventil-Sollwertberechnung mathematisch berücksichtigt. Der Last­ druck und äußere Kräfte werden in jedem Rechenschritt meßtech­ nisch bestimmt und bei der Sollwertberechnung ständig berück­ sichtigt. Für einen weiteren Frequenzbereich ergeben sich da­ durch konvergierende Lösungen.
Der zusätzliche Lageregelkreis hat nur die Aufgabe, den Zylinder wegmäßig zusätzlich zu fesseln, wenn Fehler - auch Langzeitfeh­ ler - in der Ventil-Sollwertberechnung vorliegen würden (nicht aktiv bei richtiger Sollwertberechnung).
In der Zeichnung veranschaulicht
Fig. 1 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Steuerung für einen Hydrozylinder mit durchgehender Kolbenstange,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines als Hydrozylinder mit durchgehender Kolbenstange ausgebildeten hydrau­ lischen Antriebs und
Fig. 3 ein Diagramm des Sollwertverlauf s einer Beschleunigungs­ kurve eines hydraulischen Antriebs nach den Fig. 1 und 2.
Gemäß Fig. 1 wird in einem Rechner R beispielsweise einem Tran­ sputer aus dem vorgegebenen Sollwertverlauf der Beschleunigung des Zylinders ständig der Sollwert für die Zylindergeschwindig­ keit, der Sollwert für den Zylinderweg sowie die auf den Zylin­ der Z einwirkenden dynamischen Kräfte, die sich aus dem Soll­ wertverlauf der Beschleunigung und den zugehörigen Massen des Antriebes ergeben, berechnet.
Ferner erfolgt eine ständige Berechnung der aktuellen Druckdif­ ferenz (Kraftdifferenz) am Zylinder oder Ölmotor auf der Grund­ lage der gemessenen Zylinderkammerdrücke PA und PB in den Zylin­ derräumen AA, AB und eine ständige Berechnung der aktuellen Steuerkantendruckabfälle am Servoventil SV auf der Grundlage der gemessenen Zylinderkammerdrücke PA und PB und des Systemdruckes PS und Tankdruckes PT - Doppelfunktion der gemessenen Zylinder­ kammerdrücke -. Das Messen der Zylinderkammerdrücke PA und PB ist für die Lastdruckermittlung und des Druckabfalls an den Steuerkanten erforderlich. Das Messen des Systemdruckes PS und des Tankdruckes PT ist nur erforderlich, wenn diese Zustandsgrö­ ßen nicht konstant sind. Ständig gemessen werden auch die Ist­ werte vom Zylinderweg und der Beschleunigung.
Aus den vorliegenden Soll- und Istwerten wird unter Berücksich­ tigung des Übertragungsverhaltens des Systems "Servohydraulische Achse" ständig ein Ventilsollwert berechnet, der am Eingang 2 eines Summiergliedes 10 eingespeist wird. Die Berechnung des Ventilsollwertes wird nach bekannten mathematischen und physika­ lischen Zusammenhängen unter Einbeziehung der stets aktuellen, gemessenen Systemdaten der servohydraulischen Achse für die fortlaufende Soll- und Istkurve on-line ständig durchgeführt.
Bei der Berechnung jedes Ventilsollwertes werden berücksichtigt:
die aktuellen gemessenen Kammerdrücke PA, PB, PS und PT,
der aktuelle gemessene Zylinderweg,
die erforderlichen Durchflußmengen für die Sollgeschwindigkeit und für die erforderliche Ölkompression,
der Einfluß der Lastdruckänderung im Nulldurchgang des 4-Wege- Regelventils,
der Einfluß des Nulldurchflusses des 4-Wege-Regelventils in Ab­ hängigkeit der Lastdruckdifferenz,
der Einfluß der inneren und äußeren Leckagen hydrostatisch-gela­ gerter Servozylinder in Abhängigkeit der Lastdruckdifferenzen und aktuellen Kammerdrücke,
der Einfluß der Ventildynamik und der Dynamik der Regelstrecke,
sowie die stets aktuellen, statischen Kräfte und dynamischen Massenkräfte, die auf den Zylinder einwirken. Dabei werden aus den Messungen der aktuellen Kammerdrücke PA und PB ständig die statischen Last- und Kraftdruckdifferenzen ermittelt,
der dynamische Massenanteil wird mittels einer Parameterbestim­ mung durch Messung der Kammerdrücke und der Istbeschleunigung ermittelt,
die Zeitverzögerung Servoventil und Meßsignale wird durch Vor­ ausberechnung der Ventil-Sollwerte und rechtzeitige Ausgabe kom­ pensiert.
Da es sich im vorliegenden Fall um eine On-Line-Berechnung han­ delt, muß sichergestellt sein, daß für den Meßzeitpunkt 1 (0 ms) nach Fig. 3 der dem Beschleunigungs-Sollwert des Zylinders zu­ geordnete Ventilsollwert für den Zeitpunkt 2, der um den Betrag der Zeitkonstante Ts des Steuersystems später liegt, berechnet und zu diesem Zeitpunkt dem Steuersystem nach Fig. 1 dem Sum­ mierglied 10 zugeführt wird. Die Ausgabe des Ventilsollwertes für den Zeitpunkt 2 muß zeitlich im Bereich vor der Zeitkon­ stante Ts des Regelsystems liegen. Um die Sollwertkurve mit ge­ nügender Genauigkeit berechnen zu können, wird diese in n-Ein­ zelschritte unterteilt, d. h., im Zeitbereich Ts, der der Zeit­ konstante entspricht, erfolgen nach Fig. 3 vier Sollwertberech­ nungen auf der Grundlage der entsprechenden Meßwerte, also außer der Sollwertberechnung für den Zeitpunkt 2 noch drei weitere Sollwertberechnungen für die Zeitpunkte A, B und C auf der Grundlage entsprechender Meßwerte a, b, c, wobei für diese Zwi­ schen-Rechenschritte die Festwerte zugrunde gelegt werden wie sie für den Sollwert für Punkt 2 festgelegt sind. Die Rechen­ genauigkeit wird noch weiter erhöht, wenn der Sollkurvenverlauf nach der Zeit TS, also nach Zeitpunkt 2 bzw. 3 durch weitere Re­ chenschritte TS, mit Unterteilung n in die mathematische Berech­ nung für den Sollwert zum Zeitpunkt 2 mit einbezogen wird. Für die Berechnung des Sollwertes 2 auf der Grundlage des Meßwertes 1 werden die Daten des Sollwertes 3 mit einbezogen. Für die Ge­ nauigkeit des zu erwartenden Ergebnisses ist es erforderlich, daß die Rechenzeit kurz und konstant ist. Deshalb werden die Re­ chenoperationen der n-Teilschritte zeitlich parallel, durch Ein­ satz von parallelarbeitenden Transputern oder schnellen Rech­ nern, durchgeführt. Die Gesamtrechenzeit für einen auszugebenden Ventilsollwert liegt unter 1 ms.
Im Lage-Regelkreis nach Fig. 1 wird der gemessene Lage-Istwert des Zylinders mit dem bereits um die Zeitkonstante des Regelsy­ stems vorher berechneten Lage-Sollwert eingelesen und vergli­ chen. Der Lage-Sollwert wird zwischenzeitlich in einem Ringspei­ cher festgehalten. Bei richtig berechnetem Ventilsollwert 2 wird am Reglerausgang 1 kein Signal anstehen (Fig. 1). Der Lage-Re­ gelkreis hat nur die Aufgabe, Langzeitfehler auszugleichen, d. h., lagemäßige Fesselung des Zylinders.
Die Genauigkeit des Ergebnisses wird zusätzlich On-Line durch ständige Überprüfung der Parameter für die Sollwertberechnung verbessert. Bei Soll-Istwertdifferenzen wird in den Rechenalgo­ rithmus so eingegriffen, daß für nachfolgende Sollwertberechnun­ gen sich eine kleinere Soll-Istwertabweichung ergibt. Diese Kor­ rektur der Parameter wird solange fortgesetzt, bis der Fehler in einem zugelassenen Fehlerfenster liegt.

Claims (22)

1. Steuerung eines von einem Arbeitsfluid druckbeaufschlag­ ten Antriebes, wobei das Arbeitsfluid über ein elektrisch ange­ steuertes Ventil zur Festlegung der den Antrieb zuzuführenden Arbeitsfluidmenge geführt ist und das elektrische Signal zur An­ steuerung des Ventils von einer Recheneinrichtung ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechenvorrichtung hoher Rechengeschwindigkeit vorgesehen ist, in der fortlaufend aus ei­ nem vorgegebenen Sollwert ein Sollwert für die Bewegung des An­ triebes berechnet wird und die Berechnung jeweils zumindest auf eine gemessene Zustandsgröße des Antriebes zum Zeitpunkt der Be­ rechnung beruht und der berechnete Sollwert die Stellgröße des an das Ventil weitergeleiteten elektrischen Signals bestimmt.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsgröße zumindest der zwischen Ventil und Arbeitsraum des Antriebs herrschende Druck des dem Antrieb zugeführten Ar­ beitsfluids zur Berechnung des jeweiligen Sollwertes zugrunde gelegt wird.
3. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckdifferenz des Arbeitsfluids zwischen Zu- und Rückfluß am Antrieb als Zustandgröße die Grundlage zur Be­ rechnung des jeweiligen Sollwertes bildet.
4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die am Ventil auftretenden Druckdifferenzen als Zustandsgrößen die Grundlage der Berechnung für den jeweiligen Sollwert bildet.
5. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zu den gemessenen Zustandsgrößen weitere Druck­ werte für den Zeitraum der Zeitkonstante des Systems berechnet und den gemessenen Werten aufaddiert werden.
6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Ventil zugeführte Signal über ein Summierglied geführt ist, dem über einen zweiten Eingang das Ausgangssignal eines den Antrieb einbindenden Lageregelkreises zugeführt wird.
7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Antriebes als Beschleunigungs-, Geschwindig­ keits- oder Wegverlauf als Sollwert vorgegeben ist.
8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsverlauf über die Zeiteinheit die Ventilöff­ nung bei gegebener am Öffnungsquerschnitt vorherrschender Druck­ differenz zur Erzielung der daraus sich ergebenden Sollgeschwin­ digkeit des Antriebes entsprechenden Arbeitsfluidmenge bestimmt.
9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschleunigungsänderungen die daraus sich ergebenden Kom­ pressionsmengen sowie die infolge der am Antrieb auftretenden vom Druck in den Arbeitskammern des Antriebes abhängigen Lecka­ gedurchflußmengen in die Berechnung für die Ventilöffnung mit einbezogen werden.
10. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung die Ventildurchflußkennlinie und das Übertra­ gungsverhalten des Ventils einbezogen wird.
11. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitssollwert der Lage-Sollwert des Antriebes berechnet wird und in einem Ring­ speicher mindestens entsprechend der Zeitkonstante des Systems gespeichert wird, bevor der Lage-Sollwert einem Regelkreis zuge­ führt wird und das Ausgangssignal des Regelkreises zur Korrektur über ein Summierglied dem zweiten Sollwerteingang zugeführt wird.
12. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus einem oder mehreren hydraulischen Antrieben be­ steht.
13. Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb von mehreren Arbeitszylindern oder Arbeitsmotoren gebildet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für jeden Arbeitszylinder getrennt dessen für die Sollwertberechnung erforderlichen Zustandsgrößen und Parame­ ter aus einer räumlichen Bewegungsgeometrie berechnet werden.
14. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid aus Hydrauliköl besteht.
15. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die dem Ventil zugeführten Sollwertsi­ gnale digital berechnet sind und über einen D/A-Wandler als Stellsignale dem Ventil zugeführt werden.
16. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die analog aufgenommenen Drucksignale dem Rechner in digital umgewandelte Signale zugeführt werden.
17. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenzeit für die einzelnen Sollwertabschnitte des Soll­ wertkurvenverlaufes konstant ist.
18. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenoperationen von parallel geschalteten Rechnern durch­ geführt werden.
19. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Auftreten einer Soll-Istwertdifferenz des La­ geregelkreises über einen zugelassenen Wert, diese über mehrere Sollwertabschnitte hinweg verteilt wieder auf den zugelassenen Wert zurückgeführt bzw. der Fehler verringert wird.
20. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Berechnung des vom Rechner ermit­ telten dem Sollwert des Zylinders zugeordneten Ventilsollwertes auf einem Meßwert beruht, der zeitlich um den Betrag der Zeit­ konstante TS des Steuersystems zurückliegt.
21. Steuerung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitbereich der Zeitkonstante (TS) des Steuersystems mehrere gleiche Zeitabstände (n) aufweisende Rechenschritte (A, B, C) auf der Grundlage der jeweiligen Meßwerte (a, b, c) durchgeführt werden.
22. Steuerung nach den Ansprüchen 20 und 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Berechnung des Ventilsollwertes im Zeitkon­ stantentakt auch der Sollwertverlauf der Sollkurve des Antriebes mit einbezogen wird, der zeitlich außerhalb des Bereiches der Zeitkonstante TS des Antriebes liegt, der für die Berechnung be­ stimmt ist, und zwar im Sinne einer Vorauseilung des Sollwert­ verlaufes.
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