DE4343136C2 - Regelanordnung für ein Proportionalventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Regelanordnung für ein Proportionalventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Regelanordungen für Proportionalventile der eingangs an­ gegebenen Art setzen ein elektrisches Ansteuersignal ge­ ringer Leistung beispielsweise in ein hydraulisches Si­ gnal hoher Leistung zur Betätigung von mechanischen Stellgliedern oder dergleichen um. Bei einer aus der DE- PS 34 13 959 bekannten Regelanordnung für ein Proportio­ nalventil ist ein als Servoventil bezeichneter Zustands­ regler, eine als Servoverstärker gekennzeichnete Regel­ strecke sowie ein Geschwindigkeitsrechner vorhanden, der als Zustandsbeobachter fungiert. Der Aufbau und die Funk­ tion dieser Anordnung sind anhand der Fig. 5 und 6 in der DE-PS 34 13 959 beschrieben. Die zu regelnde Größe ist der Ansteuerstrom für die Spule des Elektromagneten, der im Proportionalventil die Bewegung eines Schiebers bewirkt mit dem die mechanisch-hydraulisch Stellgröße er­ zeugbar ist.

Eine auch bei dieser Regelanordnung notwendige Rückfüh­ rung der Stellgröße auf den Eingang des Zustandsreglers zum Vergleich mit einem Sollwert erfolgt bei der bekann­ ten Anordnung nicht nur direkt, sondern auch nach Ver­ gleich mit einem vom Zustandsbeobachter erzeugten Signal. Der Zustandsbeobachter-Schaltkreis ist als Abbild der Re­ gelstrecke aufgebaut und ermöglicht durch Integration des Ansteuerstromsignals die simultane Errechnung der Be­ schleunigungs-Geschwindigkeits- und Weggrößen des Schie­ bers. Als Rückführsignal des Zustandsbeobachter-Schalt­ kreises wird die Geschwindkeitsgröße nach Gewichtung und einmaliger Integration des Ansteuerstroms benutzt. Die Ermittlung der Geschwindigkeitsgröße durch einfache Inte­ gration des Ansteuerstromsignals ist insofern nachteilig, als die Wirkung des Stroms in der Erregerspule eines, insbesondere mit viel Eisen versehenen Magnetankers durch entgegenstehende Kräfte beeinflußt wird, die bei der einfachen Integration nicht berücksichtigt sind.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Regelanordnung mit den Merkma­ len des Kennzeichens des Hauptanspruchs ist eine Ermitt­ lung der Zustandsgrößen im Zustandsbeobachter-Schaltkreis mit größerer Genauigkeit möglich. Durch die angegebene Erweiterung der Struktur des Zustandsbeobachter-Schalt­ kreises mit Gewichtung und einem Verzögerungsglied am Eingang wird die jeweilige Eingangsgröße optimal verar­ beitet und eine realistische Nachbildung der Zustandsgrö­ ßen erreicht. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemä­ ßen Anordnung möglich, Proportionalventile mit einem Elektromagneten mit Längsanker optimal zu regeln. Die hier auftretenden induktiven Rückwirkungen können mit ei­ ner entsprechen Wahl der Konstanten bei der Gewichtung und bei der Verzögerung vorteilhaft kompensiert werden.

Auch bleiben die Vorteile bei dieser Art der Rückführung eines durch mehrmalige Integration nachgebildeten Wegsi­ gnals erhalten, da eine sonst erforderliche Rückführung differenzierter Signale insbesondere bei verrauschten Wegsignalen nicht möglich ist.

Gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels nach Anspruch 2 ist als Eingangsgröße des Zustandsbeobachter-Schaltkrei­ ses der Ansteuerstrom für den Elektromagneten gewählt. Aus diesem Strom wird durch entsprechende Gewichtung und Verzögerung die vom Elektromagneten auf den Schieber wir­ kende Kraft optimal nachgebildet.

Beim weiteren Ausführungsbeispiel nach Anspruch 3 wird auf eine Messung des Stroms im Elektromagneten verzichtet und statt dessen die Ausgangsspannung des Zustandsreglers als Eingangsgröße im Zustandsbeobachter-Schaltkreis ge­ nommen. Diese Maßnahme erfordert eine Erweiterung des Schaltkreises auf ein System 4. Ordnung mit einer zusätz­ lichen Gewichtung und Verzögerung der Eingangsgröße um den Strom im Elektromagneten nachzubilden. Dieser nachge­ bildete Strom kann somit zusätzlich, zur weiteren Opti­ mierung der Regelanordnung auf den Zustandsregler zurück­ geführt werden.

Die in den weiteren Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen dienen einer weiteren Optimierung des Regelverhaltens und somit einer erhöhten Genauigkeit bei der Betätigung me­ chanisch-hydraulischer Stellglieder mittels eines Propor­ tionalventils.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt, wobei die Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Regelanordnung mit dem Strom der Erreger­ wicklung des Elektromagneten als Eingangsgröße und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit der Ansteuerspan­ nung des Elektromagneten als Eingangsgröße des Zustands­ beobachter-Schaltkreises darstellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Regelanordnung für ein Proportionalventil, wobei die hier nicht dargestellten mechanischen Teile des Proportional­ ventils in herkömmlicher Weise, insbesondere auch mit einem Elektromagneten mit Längsanker ausgeführt sind, der den beweglichen Schieber im Innern betätigt. Ein Zu­ standsregler 1 erhält als Eingangsgröße w einen Sollwert für den geforderten Ventilhub und stellt nach einem Ver­ gleich mit dem gemessenen Ventilhub eine Ansteuerspannung als Ausgangsgröße u für eine Regelstrecke 2 zur Verfü­ gung. Die Regelstrecke 2 enthält eine elektronische Schaltung mit der eine Ansteuerung des Elektromagneten und die Wegmessung des Ventilhubs (Istwert), wie unten näher erläutert wird, durchführbar ist. Als weiterer strichpunktiert umrahmter Block in der Fig. 1 ist ein Zustandsbeobachter-Schaltkreis 3 dargestellt, der die Nachbildung der Regelstrecke 2 unter Beaufschlagung mit gewichteten Zustandsgrößen, die aus der Regelabweichung gewonnen werden, vornimmt. Die zu verarbeitende Eingangs­ größe ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Strom i des Elektromagneten und als Ausgangsgrößen werden die errech­ neten Größen wie Beschleunigung , Geschwindigkeit und Weg zum Zustandsregler 1 zurückgeführt.

Im Detail enthält der Zustandsregler 1 ein Proportional­ glied 4 mit dem Ergebnis eines Vergleichs zwischen Soll­ wert w und zurückgeführtem Wegsignal als Eingangssignal, ein Integralglied 5, das auf einen Vergleichspunkt am Ausgang des Zustandsreglers 1 geschaltet ist und Pro­ portionalglieder 6, 7 und 8. Über die Proportionalglie­ der 6 und 7 sind hier die im Zustandsbeobachter-Schalt­ kreis 3 gebildeten Beschleunigungs- und Geschwindigkeits­ größen auf einen Vergleichspunkt 9 zurückgeführt. Die An­ ordnung des Integralglieds 5 ist hierbei nicht zwingend notwendig, sondern kann von Fall zu Fall vorgesehen wer­ den. Die bei den bisher behandelten Bausteinen und den folgend beschriebenen sind noch Gewichtungs- und Zeitkon­ stanten K, R, g und T mit entsprechenden Indizes angege­ ben, deren optimale Größe bei jeden Anwendungsfall rech­ nerisch oder empirisch zu ermitteln sind.

Die Regelstrecke 2 enthält in der Anordnung gemäß Fig. 1 die Bausteine, die das dynamische Verhalten der elektro­ nischen Schaltung zur Ansteuerung und Wegmessung sowie der mechanischen Teile des Proportionalventils darstel­ len. Am Eingang liegen Verzögerungsglieder 10 und 11, wo­ bei der Ansteuerstrom i am Ausgang des Verzögerungsglie­ des 10 wahlweise auch über ein Proportionalglied 12 auf den Eingang zurückgeführt werden kann um statische Abwei­ chungen zu minimieren. Das Verzögerungsglied 10 stellt die zeitliche Verzögerung beim Kraftaufbau in der Erre­ gerspule des Elektromagneten dar und am Ausgang des Ver­ zögerungsgliedes 11 liegt eine der Kraft des Elektroma­ gneten entsprechende Größe F an. Diese Kraft wirkt, redu­ ziert um der Auslenkung des Schiebers entgegenwirkende Kräfte, als Beschleunigungskraft auf die Masse bestehend aus Magnetanker und Steuerschieber. Die Beschleunigung des Schiebers steht am Ausgang eines Proportionalgliedes 13, die Geschwindigkeit am Ausgang eines Integrators 14 und der Weg x am Ausgang eines Integrators 15. Die Re­ gelabweichung ist durch Rückführungen über Proportional­ glieder 16 und 17 auf einen Vergleichspunkt 18 berücksichtigt. Die Regelstrecke 2 stellt als Ausgangsgröße über ein Proportionalglied 19 das Signal q und über einen Vergleichspunkt 20 im Zustandsbeobachter-Schaltkreis 3 das Ausgangssignal für die Zustandsgrößen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg zur Verfügung.

Das Wegsignal x liegt hierbei direkt vor und kann über die gestrichelt gezeichnete Verbindung auf das Proportio­ nalglied 8 geführt werden. Damit die gemessene Größe x mit errechneten Größe verglichen werden kann, wird die Eingangsgröße i des Zustandsbeobachter-Schaltkreises 3 erfindungsgemäß über ein Proportionalglied 22 geführt, mit einer Gewichtung g1 versehen und mittels eines Inte­ grators 23 hieraus die Beschleunigung ermittelt. In gleicher Weise werden über Integratoren 24 und 25 und Ge­ wichtungen g2 und g3 die Geschwindigkeits- und Weggrößen , errechnet, sodaß mit einer optimierten Gewichtung diese Signale über die Proportionalglieder 6 und 7 zu­ rückgeführt werden können um die Abweichungen zwischen den Streckengrößen und den Beobachtergrößen zu minimie­ ren.

In Abweichung von dem in der Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 die Ausgangsspannung u des Zustandsreg­ lers 1 die Eingangsgröße des Zustandsbeobachter-Schalt­ kreises 3. Zusätzlich ist somit eine Gewichtung der Span­ nung u über eine Gewichtungsbaustein g0 und ein Propor­ tionalglied 26 notwendig. Am Ausgang eines nachgeschalte­ ten Verzögerungsgliedes 27 steht nunmehr der Strom i an, der zusätzlich über ein Proportionalglied 28 auf den Zu­ standsregler 1 zurückgeführt ist.

Claims (6)

1. Regelanordnung für ein Proportionalventil bestehend aus

• - einem Zustandsregler (1), der aus einem Sollwert (w) und einem aus einem dem Ventilhub entsprechenden Wegsi­ gnal (x) abgeleiteten Istsignal ein Reglerausgangssignal (u) zur Ansteuerung eines Elektromagneten im Proportio­ nalventil erzeugt,
• - einer eine Regelstrecke (2) darstellenden elektronischen Schaltung, zur Steuerung des Proportionalventils und zur Verarbeitung von Meßsignalen und
• - einem Zustandsbeobachter-Schaltkreis (3), der der Re­ gelstrecke nachgebildet ist und mit dem eine Optimierung der auf den Zustandsregler (1) rückgeführten Zustandsgrö­ ßen des Proportionalventils durchführbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Eingangsgröße des Zustandsbeobachter-Schaltkreises (3) mit zusätzlichen Schaltungsgliedern (22, 23, g1; 26, 27, g0) derart gewichtet und verzögert ist, daß induk­ tive und magnetische Verzerrungen der Eingangsgröße kom­ pensierbar sind.

2. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - der Ansteuerstrom (i) des Elektromagneten als Eingangs­ größe des Zustandsbeobachter-Schaltkreises (3) über ein Proportionalglied (22) geführt ist und nach einem Ver­ gleich mit dem Ausgangssignal eines weiteren Proportial­ gliedes (g1) am Eingang eines Verzögerungsgliedes (23) anliegt und daß
• - das Ausgangssignal dieses Verzögerungsgliedes (23) auf den Zustandsregler (1) zurückgeführt ist.

3. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - als Eingangsgröße des Zustandsbeobachter-Schaltkreises (3) die Reglerausgangsgröße (u) über ein Proportional­ glied (26) und über ein Verzögerungsglied (27) geführt ist und nach einem Vergleich mit dem Ausgangssignal eines weiteren Proportialgliedes (g1) am Eingang eines Verzöge­ rungsgliedes (23) anliegt und das Ausgangssignal dieses Verzögerungsgliedes (23) auf den Zustandsregler (1) zu­ rückgeführt ist.

4. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Ausgangsgröße () des Zustandsbeobachter-Schalt­ kreises (3) über ein Proportionalglied (8) direkt auf einen Vergleichspunkt am Eingang des Zustandsreglers (1) zurückgeführt wird.

5. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Reglerbausteine in analoger Schaltungstechnik aus­ geführt sind.

6. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Reglerbausteine in digitaler Schaltungstechnik aus­ geführt sind.