DE4417153C1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Regeln der Lage eines ventilgesteuerten hydraulischen Stellglieds - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Lage eines ventilgesteuerten hydraulischen Stellglieds gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1. Solche Stellglieder werden als hydraulische Linearantriebe oder Drehantriebe in vielseitigen Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, eingesetzt.

Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift EP 0 461 288 bekannt. Bei einem solchen Stellglied sind Haftreibung, Ventilüberdeckung und Hysterese als Nichtlinearitäten bekannt und unerwünscht. Damit ein sol­ ches Stellglied ein annähernd lineares Verhalten zeigt, muß sein Steuerkolben mit dem zu steuernden Flüssigkeitskanal ei­ ne Ventilüberdeckung Null aufweisen. Fertigungstoleranzen führen jedoch zu negativen Ventilüberdeckungen und diese zu Verlustströmen. Daher wird der Steuerkolben größer dimensio­ niert und sicher eine positive Ventilüberdeckung erreicht. Um nun Haftreibung und Hysterese auszuschalten, wird dem Stell­ kolben dauernd eine Dither-Bewegung aufgeprägt. Der Verlust­ strom hängt dann von der Größe der Ventilüberdeckung sowie von der Frequenz und der Amplitude der Dither-Bewegung ab.

Muß die Dither-Bewegung groß gewählt werden, um nichtlineare Effekte wirksam zu bekämpfen, dann entsteht ein Geräusch, das bei einem Einsatz, beispielsweise im Kraftfahrzeug, den Fahr­ komfort beeinträchtigt. Außerdem verursacht ein Dither zu­ sätzliche Verluste. Mit zunehmender Dither-Amplitude steigt der Öldurchsatz durch das Stellglied und damit die Verlust­ leistung.

Bei einer weiteren bekannten Schaltungsanordnung zum Regeln der Lage eines ventilgesteuerten hydraulischen Stellglieds (DE 35 32 809 C2) wird einem Vergleicher eine Führungsgröße und eine Regelgröße zugeführt. Abhängig von der Regelabwei­ chung wird eine Stellgröße zum Aussteuern des Stellgliedes erzeugt. Dadurch wird eine auf das Stellglied wirkende Stö­ rungsgröße optimal ausgeregelt, solange sich die Führungs­ größe nicht ändert. Sobald sich aber die Führungsgröße än­ dert, erfolgt eine Umschaltung auf die Reglerkennlinie, wo­ durch eine optimale Ausregelung der Führungsgröße ermöglicht wird.

Durch eine solche Schaltungsanordnung wird jedoch keine gute Dynamik erreicht, da zwischen der Optimierung auf die Füh­ rungsgröße und Optimierung auf die Störgröße immer wieder um­ geschaltet wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Regelung für ein Stellglied zu schaffen, die eine gute Dynamik sowie eine geringe Verlustleistung aufweist und deren Regelverhalten möglichst linear ist.

Das Problem wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk­ malen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkma­ len nach Anspruch 3 gelöst. Grundgedanke dabei ist, das Stellglied durch ein Referenzmodell nachzubilden, wobei die Differenz der Ausgangsgrößen des Stellglieds und des Refe­ renzmodells sowohl das Referenzmodell korrigiert als auch das Stellglied beeinflußt.

Mit einem solchen Referenzmodell ist es möglich, das Regel­ verhalten zu verbessern und zu linearisieren. Dabei wird die Regelgenauigkeit vergrößert und die Anregelzeiten verklei­ nert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch den Unteranspruch gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch ein Gehäuse eines hydraulischen Stellglieds in Teilansicht,

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Block­ diagrammdarstellung.

Ein elektromagnetisches Proportionalventil, das nachfolgend als ventilgesteuertes hydraulisches Stellglied 1 (Fig. 1) bezeichnet wird, besteht im wesentlichen aus einem Steuerkol­ ben 2 und einem Stellkolben 3. Die Kolben 2 und 3 befinden sich in einem Ventilgehäuse 4 jeweils in einem zylindrischen Hohlraum 5 und 6. Die beiden Kolben 2 und 3 sind axial ver­ schiebbar. Ströme in nicht dargestellten Proportionalmagneten an den Enden des Steuerkolbens 2 erzeugen Kräfte, die auf den Steuerkolben 2 wirken und diesen bewegen.

Der Steuerkolben 2 weist zwei Steuerkolbenzylinder 7 und 8 mit jeweils zylindrischen Steuerflächen 9 und 10 auf, die mit Ringnuten 12 in der Wand des Hohlraums 5 zusammenwirken. Die Steuerkolbenzylinder 7 und 8 unterteilen den Hohlraum 5 in mehrere Kammern. In die - in Fig. 1 - linke Kammer mündet eine Bohrung 13, die mit einem - hier nicht dargestellten - Vorratsbehälter oder Tank für Hydrauliköl verbunden ist, und in der ein - niedriger - Tankdruck P_T herrscht. Eine in die mittlere Kammer mündende Bohrung 14 ist mit einem nicht dar­ gestellten Druckspeicher verbunden. Sie steht unter dem - ho­ hen - Versorgungsdruck P_V. Eine in die rechte Kammer mündende Bohrung 15 ist wiederum mit dem Tank verbunden und steht un­ ter dem Tankdruck P_T.

Die Ringnuten 12 sind über Bohrungen mit Kammern A und B des Stellkolbens 3 verbunden.

Sind die Steuerflächen 9 und 10 der Steuerkolbenzylinder breiter als die von ihnen abgedeckten Ringnuten 12, so liegt eine positive Ventilüberdeckung vor. Die Ventilüberdeckung stellt sich als Berührungsfläche der Steuerkanten eines der beiden Steuerkolbenzylinder 7 oder 8 mit der Wand des Hohl­ raums 5 dar. Ein Steuerkante ist jeweils diejenige kreisför­ mige Kante eines Steuerkolbenzylinders 7 oder 8, an der vor­ bei das Hydrauliköl vom Druckspeicher zu den Kammern A oder B oder von den Kammern A oder B zurück in den Tank fließt (die Pfeile in Fig. 1 geben die Richtung der Flüssigkeitsströme des Öls an).

Bei einer positiven Ventilüberdeckung fließt solange kein Hy­ drauliköl oder nur geringfügige Leckverluste über die Steuer­ kanten der Steuerkolbenzylinder 7 und 8, wie die Steuerfläche 9 oder 10 die Ringnut 12 vollständig überdeckt.

Der Steuerkolben 2 öffnet oder schließt Verbindungswege zwi­ schen den Kammer A oder B und dem Ablauf zum Tank oder dem Druckspeicher. Wird der Steuerkolben 2 nach links bewegt, so fließt ein Flüssigkeitsstrom Q_A vom Druckspeicher an der Steuerkante vorbei in die Kammer A. Da in dem Fall die Kammer B über die Steuerkante mit dem Tank verbunden ist, wird das Öl aus der Kammer B zurück in den Tank verdrängt. In der Kam­ mer B stellt sich der Druck P_B ein.

Ein solches Stellglied hat Nichtlinearitäten in Form der po­ sitiven Ventilüberdeckung, der Haftreibung des Steuerkolbens 2 und der Hysterese der Proportionalmagneten.

Die Haftreibung verhindert ein schnelles Reagieren des Steu­ erkolbens 2 auf kleine Sollwertänderungen des Stroms. Es muß erst eine bestimmte Kraft auf den Steuerkolben 2 überschrit­ ten werden, bevor er bewegt werden kann.

Die Ventilüberdeckung bewirkt, daß zunächst kein Öl über die überdeckten Steuerkanten der Steuerkolbenzylinder 7 oder 8 transportiert wird. Es wird erst ein Bereich durchlaufen, in dem noch keine Kraft durch Druckaufbau in den Kammern A oder B auf den Stellkolben 3 wirken kann. Die Ventilüberdeckung wirkt nur solange wie jede Steuerkante die Wand des Hohlraums 5 überdeckt. Folglich wirkt sich die Ventilüberdeckung bei großen Steuerkolben- und damit großen Stellkolbenbewegungen nur zu Beginn der Bewegung aus.

Eine unsymmetrische Ventilüberdeckung bewirkt, daß bei der Ruhestellung des Steuerkolbens 2 immer noch Öl an den Steuer­ kanten vorbeifließen kann. Auch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Steuerkolbens 2 haben einen Einfluß auf die Ventilüberdeckung. Sicherheitshalber werden daher die Steuer­ kolbenzylinder 7 und 8 etwas breiter hergestellt, um auf je­ den Fall eine positive Ventilüberdeckung zu erhalten. Dies hat zur Folge, daß die Dynamik des Proportionalventils, d. h. die schnelle und lineare Reaktion des Stellglied 1 auf eine Änderung des Stroms, beeinträchtigt wird.

Die Hysterese hindert die Umsetzung von Strom in Kraft so­ lange, bis die Hystereseschleife durchlaufen ist.

Wegen der Nichtlinearitäten folgt die Position des Stellkol­ bens an Umkehrpunkten einer Sollvorgabe verspätet. Daraus er­ gibt sich eine Verschlechterung des Regelverhaltens des Stellglied 1. Die Regelgenauigkeit wird geringer und die An­ regelzeiten vergrößern sich. Daher wird angestrebt, die Nichtlinearitäten auszugleichen.

Sollen die Nichtlinearitäten kompensiert werden, so geschieht dies erfindungsgemäß mit Hilfe eines geschlossenen Regelkrei­ ses und mit einem Beobachter des Stellglied 1. Durch den Be­ obachter - nachfolgend als Referenzmodell 16 (Fig. 2) be­ zeichnet - wird ein Modell des Stellglied 1 nachgebildet oder berechnet, d. h. das Referenzmodell 16 ist die elektronische Realisierung des mathematischen Zusammenhangs, die von einer linearisierten Beschreibung des Stellglied 1 ausgeht.

Ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die in dem Blockschaltbild darge­ stellten Leitungen sind Signalleitungen, über die Informatio­ nen bezüglich der verschiedenen physikalischen Größen, wie z. B. ein Strom oder ein Signal entsprechend dem Hub des Stellkolbens 2, fließen, oder physikalische Leitungen, über die z. B. Hydrauliköl fließt.

Die Schaltungsanordnung zum Regeln der Lage oder der Position des Stellgliedes 1 weist einen geschlossenen Regelkreis mit einem Sollwerteinsteller 17, einem Lageregler 18, dem Stell­ glied 1 - nachfolgend als Strecke 1 bezeichnet -, und einem Meßumformer 19 auf. Vom Sollwerteinsteller 17 wird eine Soll­ größe 20 auf den Lageregler 18 gegeben, an dessen Ausgang der Strecke 1 eine Stellgröße 21 zugeführt wird. Am Ausgang der Strecke 1 liegt eine Regelgröße 23 an, und zwar die Position oder Lage des Stellkolbens 3 und damit der Hub des Stellkol­ bens 3. Die Regelgröße 23 wird durch den Meßumformer 19 er­ faßt (erfaßte Regelgröße 24) und mit der Sollgröße 20 in ei­ ner ersten Vergleichseinrichtung 25 verglichen. Die Differenz der Soll- 20 und der Regelgröße 23 wird als Regeldifferenz 26 auf den Lageregler 18 gegeben.

Die Strecke 1, deren Ein- und Ausgangsgrößen meßbar sind, kann durch das Referenzmodell 16 in Abhängigkeit der gemesse­ nen Größen rekonstruiert oder nachgebildet werden. Damit folgt das Referenzmodell 16 der Strecke 1 in ihrem Zustands­ verhalten. Solche Referenz- oder Beobachtermodelle sind aus der Regelungstechnik hinlänglich bekannt.

Das Referenzmodell 16 ist parallel zu der Strecke 1 angeord­ net. Die Stellgröße 21 wird sowohl dem Referenzmodell 16 als auch über eine zweite Vergleichseinrichtung 27 der Strecke 1 zugeführt.

Die Regelgröße 23 wird in einer dritten Vergleichseinrichtung 28 mit der Ausgangsgröße des Referenzmodells 16 - der Modell­ regelgröße 29 - verglichen und die Differenz von Regelgröße 23 und Modellregelgröße 29 (nachfolgend als Modellfehlergröße 30 bezeichnet) sowohl über ein Proportionalglied 31 - mit ei­ nem Faktor gewichtet - sowie über die zweite Vergleichsein­ richtung 27 mit dem Eingang der Strecke 1 verbunden als auch direkt dem Referenzmodell 16 zurückgeführt. Infolgedessen wird das berechnete Modell durch eine Rückkopplung der Diffe­ renz von Regelgröße 23 und Modellregelgröße 29 korrigiert und die Strecke 1 durch die mit dem Faktor gewichtete Modellfehler­ größe 30 beeinflußt.

Das Verhalten des Regelkreises ändert sich nicht, wenn die zweite Vergleichseinrichtung 27 - statt hinter - vor der Ab­ zweigung der Stellgröße 21 zum Referenzmodell 16 angeordnet ist.

Wird parallel zur Strecke 1 das linearisierte Modell als Be­ obachter gerechnet, dann stimmt der dem Modell entnommene Zu­ standspunkt der Position des Stellkolbens mit dem gemessenen Wert überein, wenn keine Nichtlinearitäten oder Störungen in der Strecke 1 wirken, d. h. wenn Regelgröße 23 und Modellre­ gelgröße 29 gleich sind. Jede Störung der Strecke 1 drückt sich in einer Differenz von beobachteter und gemessener Stellkolbenposition, d. h. von Regelgröße 23 und der Modellre­ gelgröße 29, aus. Diese Differenz (Modellfehlergröße 30) kann dazu benutzt werden, die Strecke 1 mit dem Faktor gewichtet nachzusteuern. Gleichzeitig muß das Referenzmodell 16 der Strecke 1 nachgeführt werden.

Durch das Referenzmodell 16 wird das nichtlineare Strecken­ verhalten auf ein lineares Verhalten zurückgeführt. Damit stellt sich dem Teil der Schaltungsanordnung nach dem Lage­ regler 18 eine lineare Strecke 1 dar. Der Regelkreis ist so­ mit auf einem linearen Konzept aufgebaut. Aus diesem Grunde verbessert sich das Regelverhalten wesentlich gegenüber her­ kömmlichen Maßnahmen zur Bekämpfung von Nichtlinearitäten, wie z. B. dem Einsatz eines Dithers.

Das Referenzmodell 16 wird nur dann wirksam, wenn das Streckenverhalten von dem des Referenzmodells 16 abweicht. Ein solches Verfahren zum Regeln eines Stellglied 1 kann da­ her auch bei beliebig anderen zu regelnden linearen Systemen eingesetzt werden.

Das Referenzmodell 16 kann digital durch einen nicht darge­ stellten Mikroprozessor realisiert werden, wobei der Mikro­ prozessor neben der Regleraufgabe noch andere, vor allem si­ cherheitsrelevante Funktionen übernehmen kann.

Beim Einsatz von solchen linearen Rechenalgorithmen zur Posi­ tionsregelung reibungsbehafteter Massen, wie dem Stellglied 1, können jedoch insbesondere bei kleinen Sollgrößenänderun­ gen Probleme auftreten. Um diese zu umgehen, kann der Soll­ größe 20 und damit dem Strom vorteilhafterweise eine zusätz­ liche Anregung, wie beispielsweise einem Rechtecksignal oder Dither, überlagert werden. Damit kann das Regelverhalten wei­ ter verbessert werden. Eine Aufschaltung eines Dithers ist bereits bekannt, darauf wird hier nicht mehr näher eingegan­ gen.

Mit einem Dither kann auch die Wirkung der Haftreibung des Steuerkolbens 2 beseitigt werden. Der Haftzustand kann nicht eintreten, da der Steuerkolben 2 in ständiger Bewegung gehal­ ten wird. Gleichzeitig wird durch diese Anregung der Effekt der Hysterese gemindert. Da sich die Dither-Amplitude im Hin­ blick auf die Geräuschentwicklung nachteilig auswirkt, soll der Dither immer nur bei kleinen Sollgrößenänderungen wirksam werden.

Die Amplitude des Dithers muß so klein als möglich, jedoch so groß als nötig gewählt werden. Eine Vorkenntnis über die Größe der Haftreibung und Hysterese ist daher erforderlich, damit die Amplitude des Dithers nicht zu groß gewählt wird.

Durch den geregelten Einsatz des Dithers wird dieser in jedem Fall nur bei kleinen Sollströmen wirksam. Für das Stellglied 1 bedeutet dies, daß das Führungsverhalten im Kleinsignalbe­ reich verbessert wird, bei großen Regeldifferenzen dagegen der Dither nicht aktiv ist.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Lage eines ventilge­ steuerten hydraulischen Stellglieds (1), bei dem ein Stell­ kolben (2) mit Hilfe eines Lagereglers (18) bewegt wird und dessen Ausgang über eine erste Vergleichseinrichtung (25) auf den Eingang des Lagereglers (18) zurückgekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß sie ein Referenzmodell (16) aufweist, das parallel zu dem Stellglied (1) angeordnet ist und durch das das Stell­ glied nachgebildet wird,
• - daß der Ausgang des Lagereglers (18) sowohl mit einem er­ sten Eingang des Referenzmodells (16) als auch über den Eingang einer zweiten Vergleichseinrichtung (27) mit dem Eingang des Stellglieds (1) verbunden ist,
• - daß der Ausgang des Stellglieds (1) und der Ausgang des Re­ ferenzmodells (16) mit dem Eingang einer dritten Ver­ gleichseinrichtung (28) verbunden sind, und
• - daß der Ausgang der dritten Vergleichseinrichtung (28) mit einem zweiten Eingang des Referenzmodells (16) und über ein Proportionalglied (31) sowie über die zweite Vergleichsein­ richtung (27) mit dem Eingang des Stellglieds (1) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Referenzmodell (16) als digitale Recheneinheit ausgebildet ist.

3. Verfahren zum Regeln der Lage eines ventilgesteuerten hy­ draulischen Stellglieds mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Stellgröße (21) sowohl dem Referenzmodell (16) als auch dem Stellglied (1) zugeführt wird,
• - daß durch das Referenzmodell (16) ein Modell des Stell­ glieds (1) berechnet wird,
• - daß das berechnete Modell durch eine Rückkopplung der Dif­ ferenz von Regelgröße (23) und Modellregelgröße (29) korri­ giert wird, und
• - daß die Differenz von Regelgröße (23) und Modellregelgröße (29) mit einem Faktor gewichtet dem Stellglied (1) zuge­ führt wird.