DE69508888T2

DE69508888T2 - Hydraulic force control system

Info

Publication number: DE69508888T2
Application number: DE69508888T
Authority: DE
Inventors: Gualtiero Balossini; Piero Bozzola; Giovanni Jacazio
Original assignee: Microtecnica SRL
Current assignee: Microtecnica SRL
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1995-11-23
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2015-11-24
Also published as: DE69508888D1; IT1267627B1; ES2131746T3; ITTO940957A1; EP0713818A1; EP0713818B1; ITTO940957A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hydraulikkraft-Regelungssystem.The present invention relates to a hydraulic force control system.

Ein solches System kann vorteilhaft auf aktive seitliche Aufhängungen von Eisenbahnwagen angewendet werden, auf die hier Bezug genommen wird, um eine klare Vorstellung von dem der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Problem zu erhalten.Such a system can be advantageously applied to active lateral suspensions of railway carriages, to which reference is made here in order to obtain a clear idea of the problem underlying the present invention.

Zwischen dem Wagenkasten (Rahmen) und dem Fahrgestell eines Eisenbahnwagens sind seitliche Aufhängungen vorgesehen, die Stöße und seitliche Lasten auf das Fahrgestell absorbieren, wie in Fig. 1 gezeigt ist, welche eine schematische Ansicht eines Eisenbahnwagens 1 ist, der ein Fahrgestell 2, einen Wagenkasten 3 und seitliche Aufhängungen 4 aufweist.Between the body (frame) and the chassis of a railway car, lateral suspensions are provided which absorb shocks and lateral loads on the chassis, as shown in Fig. 1, which is a schematic view of a railway car 1 having a chassis 2, a body 3 and lateral suspensions 4.

Die Aufhängungen der meisten derzeit in Betrieb befindlichen Züge enthalten im wesentlichen ein System aus sehr elastischen Federn und Dämpfern zum Absorbieren von Stößen und zur Verhinderung einer Übertragung von Lasten an den Wagenkasten. Eine solche Lösung kann jedoch während einer Kurvenfahrt nicht korrekt arbeiten, da in diesem Fall die Zentrifugalkraft den Wagenkasten so weit verschiebt, bis ihn eine Grenze anhält, an der die Aufhängungen vollständig verformt sind und daher nicht länger seitliche Lasten absorbieren können.The suspensions of most trains currently in service essentially contain a system of very elastic springs and dampers to absorb shocks and prevent loads from being transmitted to the car body. However, such a solution cannot work correctly during cornering because in this case the centrifugal force displaces the car body until it reaches a limit where the suspensions are completely deformed and can therefore no longer absorb lateral loads.

Zur Lösung dieses Problems sind aktive Druckluftaufhängungen entwickelt worden, wovon jede einen Druckluftzylinder enthält, der mit einem Versorgungstank über Ventile verbunden ist, die durch eine elektronische Regelungseinheit gesteuert werden. Die seitliche Last auf das Fahrgestell wird durch die Flexibilität der Aufhängung selbst absorbiert, während die Kraft, die erzeugt wird, wenn der Wagenkasten eine Kurvenfahrt ausführt, durch das Regelungssystem kompensiert wird. Genauer mißt ein Beschleunigungsmesser die Zentripetalbeschleunigung auf ein Fahrgestell des Zuges (z. B. dasjenige der Maschine), die mit der Zentrifugalkraft korreliert ist, ferner führt eine elektronische Steuereinheit eine Steuerung aus, mit der die Versorgung der Druckluftzylinder gesteuert wird, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die der Zentrifugalkraft entgegengesetzt ist.To solve this problem, active pneumatic suspensions have been developed, each of which contains a pneumatic cylinder connected to a supply tank via valves controlled by an electronic control unit. The lateral load on the chassis is distributed by the flexibility of the suspension itself is absorbed, while the force generated when the car body corners is compensated by the control system. More precisely, an accelerometer measures the centripetal acceleration on a chassis of the train (e.g. that of the engine), which is correlated with the centrifugal force, and an electronic control unit carries out a control that controls the supply of the pneumatic cylinders, generating a force opposite to the centrifugal force.

Obwohl dadurch das Problem theoretisch gelöst wird, erzeugt in der wirklichen Praxis die von den aktiven Aufhängungszylindern erzeugte Kraft Fehler, insbesondere unter dynamischen Bedingungen, so daß die vorgegebene Korrektur einen ausreichenden Komfort nicht gewährleisten kann.Although this theoretically solves the problem, in real practice the force generated by the active suspension cylinders generates errors, especially under dynamic conditions, so that the predetermined correction cannot ensure sufficient comfort.

Es ist daher ein Hydrauliksystem vorgeschlagen worden, das kraft seiner intrinsischen Merkmale (schnelles Ansprechverhalten und Genauigkeit) eine genauere Kurvenfahrtbeschleunigungskorrektur schafft und den Wagenkasten in bezug auf das Fahrgestell genauer rezentriert. Im Vergleich zu Druckluftsystemen sind darüber hinaus die Hydrauliksysteme für große Kräfte besser geeignet, besitzen ein geringeres Gewicht und sind kompakt. Hydrauliksysteme weisen jedoch einen geringen Flexibilitätsgrad auf, so daß sie schnelle Lasten, etwa Stöße, die auf Fahrgestelle von Eisenbahnwagen ausgeübt werden, nicht absorbieren können.A hydraulic system has therefore been proposed which, by virtue of its intrinsic characteristics (fast response and accuracy), provides more accurate cornering acceleration correction and more accurate recentering of the car body with respect to the chassis. In addition, compared to pneumatic systems, hydraulic systems are better suited to large forces, are lighter in weight and are compact. However, hydraulic systems have a low degree of flexibility, so they cannot absorb rapid loads such as shocks exerted on the chassis of railway cars.

Gleiches gilt im allgemeinen für Hydraulikkraft-Regelungssysteme, auf die im folgenden allgemein Bezug genommen wird.The same applies in general to hydraulic force control systems, which are generally referred to below.

Wie erwähnt worden ist, werden hydraulische Regelungssysteme normalerweise für die Erzeugung großer Kräfte und dann, wenn eine schnelle, präzise Veränderung der geregelten Kraft erforderlich ist, verwendet. Die Möglichkeit einer sicheren Verwendung hoher Drücke schafft tatsächlich eine Reduzierung des Gewichts und der Größe der Komponente, während die geringe Elastizität des Hydraulikfluids eine schnelle Veränderung des Drucks und daher der geregelten Kraft ermöglicht. Die letztgenannte Eigenschaft (geringe Elastizität des Hydraulikfluids) stellt jedoch einen Nachteil dar, wenn eine Kraft bei einer schnellen Bewegung des mechanischen Elements, auf das die Kraft ausgeübt wird, geregelt wird, wobei die Bewegung eine unerwünschte Druckänderung und daher eine unerwünschte Änderung der geregelten Kraft zur Folge hat.As mentioned, hydraulic control systems are normally used for generating large forces and when a rapid, precise change in the controlled force is required. The possibility of a safe Using high pressures actually creates a reduction in the weight and size of the component, while the low elasticity of the hydraulic fluid allows a rapid variation of the pressure and therefore of the controlled force. However, the latter property (low elasticity of the hydraulic fluid) represents a disadvantage when a force is controlled during a rapid movement of the mechanical element to which the force is applied, which movement results in an undesirable change in pressure and therefore an undesirable change in the controlled force.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hydraulikkraft-Regelungssystem zu schaffen, das so konstruiert ist, daß es die Vorteile der hydraulischen Regelung vollständig nutzt, um eine präzise Regelung der Kraft selbst bei schnellen Lasten sicherzustellen, und die Nachteile, die mit bekannten Systemen typischerweise verbunden sind, beseitigt.It is an object of the present invention to provide a hydraulic force control system designed to fully exploit the advantages of hydraulic control to ensure precise control of force even at fast loads and eliminates the disadvantages typically associated with known systems.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftregelungssystem geschaffen, das versehen mit einem hydraulischen Aktuator, der einen Zylinder enthält, in dem ein Kolben untergebracht ist, der relativ zum Zylinder beweglich ist, um eine Ist-Kraft zu erzeugen; einem Hydraulikkreis, der den Hydraulikzylinder versorgt und seinerseits ein Steuerelement zum Steuern der Versorgung des Zylinders enthält; und einer Kraftregelungsschleife, die ihrerseits eine Meßeinheit zum Messen der Ist-Kraft, eine Differentialeinheit, die ein Signal der Ist-Kraft von der Meßeinheit sowie ein Nennkraftsignal empfängt und ein Fehlersignal erzeugt, sowie eine Regelungseinrichtung enthält, die das Fehlersignal empfängt und ein erstes Steuersignal zum Steuern des Steuerelements erzeugt; gekennzeichnet durch eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit des Kolbens relativ zum Zylinder; und eine Kompensationseinrichtung zum Erzeugen eines weiteren Steuersignals für das Steuerelement anhand der Geschwindigkeit und in der Weise, daß ein im wesentlichen elastisches Verhalten des Hydrauliksystems erzielt wird.According to the present invention there is provided a force control system comprising a hydraulic actuator including a cylinder housing a piston which is movable relative to the cylinder to produce an actual force; a hydraulic circuit supplying the hydraulic cylinder and in turn including a control element for controlling the supply to the cylinder; and a force control loop which in turn includes a measuring unit for measuring the actual force, a differential unit receiving an actual force signal from the measuring unit and a nominal force signal and generating an error signal, and control means receiving the error signal and generating a first control signal for controlling the control element; characterized by speed measuring means for measuring the speed of the piston relative to the cylinder; and compensation means for generating a further control signal for the control element based on the speed and in such a way that that an essentially elastic behavior of the hydraulic system is achieved.

In der Praxis schafft die vorliegende Erfindung eine Regelung, die anhand der gemessenen Geschwindigkeit des mechanischen Elements, auf das die geregelte Kraft ausgeübt wird, die Regelungssignale in der Weise verändert, daß zu jedem Zeitpunkt jegliche Änderung der Kraft beseitigt wird, die durch die Bewegung des mechanischen Elements erzeugt wird. Mit anderen Worten, die Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung macht ein herkömmliches Hydrauliksystem "künstlich" flexibel.In practice, the present invention provides a control which, based on the measured speed of the mechanical element to which the controlled force is applied, modifies the control signals in such a way as to eliminate at any time any change in the force produced by the movement of the mechanical element. In other words, the control according to the present invention makes a conventional hydraulic system "artificially" flexible.

Eine zweckmäßige, nicht beschränkende Ausführung der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, worin:A suitable, non-limiting embodiment of the present invention is described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 eine Darstellung eines Eisenbahnwagens zeigt;Fig. 1 shows a representation of a railway carriage;

Fig. 2 das Steuerprinzip eines bekannten Hydraulikkraft- Regelungssystems zeigt;Fig. 2 shows the control principle of a known hydraulic power control system;

Fig. 3 eine genauere Darstellung eines Teils des Systems von Fig. 2 zeigt;Fig. 3 shows a more detailed representation of part of the system of Fig. 2;

Fig. 4 ein Hydraulikkraft-Regelungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.Fig. 4 shows a hydraulic force control system according to the present invention.

Das bekannte Steuerprinzip eines bekannten Kraftregelungssystems wird mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.The known control principle of a known force control system is described with reference to Fig. 2.

Das Hydrauliksystem 10 in Fig. 2 enthält einen linearen Aktuator 11, der über ein Servoventil 12 mit einer Versorgungsleitung 13 und einer Rückführungsleitung 14 verbunden ist. Der Aktuator 11 enthält einen Zylinder 15 und einen Kolben 16, der im Zylinder 15 beweglich ist und mit einem in Translationsrichtung beweglichen mechanischen Element (18) verbunden ist (im Fall des Eisenbahnwagens von Fig. 1 kann das in Translationsrichtung bewegliche Element 18 ein Fahrgestell 2 enthalten, ferner kann der Zylinder 15 am Wagenkasten 3 befestigt sein). Eine Leitung 20 mit einer kalibrierten Blende 21 verbindet die beiden Kammern 15a, 15b des Zylinders 15; ferner regelt ein Servoventil 12 die Zufuhr von mit Druck beaufschlagtem Fluid an die Kammern 15a, 15b und von diesen anhand des Vorzeichens und der Amplitude des Eingangsstroms I.The hydraulic system 10 in Fig. 2 contains a linear actuator 11 which is connected to a supply line 13 and a return line 14 via a servo valve 12. The actuator 11 contains a cylinder 15 and a piston 16 which is movable in the cylinder 15 and is connected to a A mechanical element (18) movable in the direction of translation (in the case of the railway carriage of Fig. 1, the element 18 movable in the direction of translation may comprise a chassis 2, and the cylinder 15 may be fixed to the carriage body 3). A line 20 with a calibrated orifice 21 connects the two chambers 15a, 15b of the cylinder 15; a servo valve 12 also regulates the supply of pressurized fluid to and from the chambers 15a, 15b on the basis of the sign and amplitude of the input current I.

Das System 10 enthält außerdem zwei Druckwandler 22a, 22b, die mit den jeweiligen Kammern 15a, 15b verbunden sind, den Druck in diesen Kammern 15a, 15b messen und über entsprechende Leitungen 23a, 23b mit einer elektronischen Regelungseinheit 25 verbunden sind, die ihrerseits enthält:The system 10 also includes two pressure transducers 22a, 22b, which are connected to the respective chambers 15a, 15b, measure the pressure in these chambers 15a, 15b and are connected via corresponding lines 23a, 23b to an electronic control unit 25, which in turn contains:

- einen ersten Additionsknoten (26), der mit den beiden Drucksignalen P1, P2 versorgt wird, die von den Wandlern 22a, 22b erzeugt werden, und ein Differenzsignal Δp erzeugt;- a first summing node (26) supplied with the two pressure signals P1, P2 generated by the transducers 22a, 22b and generating a difference signal Δp;

- eine Verstärkungseinheit (27), die das Differenzsignal Δp mit einem Verstärkungskoeffizienten A multipliziert und ein Signal Fm erzeugt, das der vom Kolben 16 ausgeübten Kraft F entspricht;- an amplification unit (27) which multiplies the difference signal Δp by a gain coefficient A and generates a signal Fm corresponding to the force F exerted by the piston 16;

- einen zweiten Additionsknoten 28, der mit dem Signal Fm für die Ist-Kraft und mit einem Signal Fr für eine geforderte Kraft versorgt wird und ein Differenzsignal E erzeugt, das gleich dem Fehler zwischen den beiden Kräften ist;- a second summing node 28 supplied with the signal Fm for the actual force and with a signal Fr for a required force and generating a difference signal E equal to the error between the two forces;

- eine Regelungseinrichtung 29, die den Strom I entsprechend der geforderten Korrektur für die Steuerung des Servoventils 12 liefert.- a control device 29 which supplies the current I according to the required correction for the control of the servo valve 12.

In dem System 10 empfängt die elektronische Einheit 25 das Signal Fr für die geforderte Kraft (in dem gezeigten Beispiel eines Eisenbahnwagens handelt es sich um die Kraft, die erforderlich ist, um die Zentrifugalkraft bei der Kurvenfahrt zu beseitigen, wobei die Kraft wie angegeben mittels einer Verarbeitungseinheit oder durch Lesen einer Tabelle bestimmt wird) und das Signal Fm, das die vom Aktuator 11 erzeugte Ist-Kraft angibt. Anhand des Fehlers E und unter Verwendung eines bekannten Regelungsprinzips (z. B. einer PID-Regelungseinrichtung) erzeugt die Einheit 25 ein Steuerstromsignal, das verstärkt wird, um den Strom I zum Servoventil 12 zu liefern.In the system 10, the electronic unit 25 receives the signal Fr indicating the required force (in the example of a railway carriage shown, this is the force required to eliminate the centrifugal force when cornering, the force being determined as indicated by means of a processing unit or by reading a table) and the signal Fm indicating the actual force generated by the actuator 11. From the error E and using a known control principle (e.g. a PID controller), the unit 25 generates a control current signal which is amplified to supply the current I to the servo valve 12.

In dem System von Fig. 2 schaffen die Leitung 20 und die kalibrierte Blende 21 eine Reduzierung der Druckverstärkung des Servoventils 12, die für bestimmte Anwendungstypen (wie etwa den Eisenbahnwagen im gezeigten Beispiel) zu hoch ist, und verbessern folglich die Stabilität des Systems 10. Das System 10 kann mit anderen leistungsverbessernden Komponenten (nicht gezeigt) versehen sein, z. B. für die Reduzierung des Versatzes und des Lecks des Servoventils und für die Erzielung eines gegebenen Verhaltens bei Auftreten einer Panne.In the system of Fig. 2, the line 20 and the calibrated orifice 21 provide a reduction in the pressure gain of the servo valve 12, which is too high for certain types of applications (such as the railway carriage in the example shown), and consequently improve the stability of the system 10. The system 10 may be provided with other performance-enhancing components (not shown), for example for reducing the offset and leakage of the servo valve and for achieving a given behavior in the event of a breakdown.

Wie erwähnt, schafft das System 10 eine genaue und schnelle Regelung der Kraft, falls das mechanische Element 18, das der vom hydraulischen Aktuator 11 erzeugten Kraft F unterliegt, stationär ist oder sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt. Beispielsweise ist es für Hydrauliksysteme, die Kräfte von einigen Tonnen erzeugen können, möglich, eine Frequenzantwort mit einem Durchlaßband bis zu ungefähr 10 Hz und daher mit einer vorherrschenden Zeitkonstante von 15- 20 ms zu erzielen. Falls sich umgekehrt das mechanische Element 18 mit hoher (konstanter oder veränderlicher) Geschwindigkeit bewegt, können in Abhängigkeit von den vorlie genden Betriebsbedingungen sogar ernsthafte Fehler im Wert der ausgeübten Kraft entstehen.As mentioned, the system 10 provides a precise and rapid control of the force if the mechanical element 18 subject to the force F generated by the hydraulic actuator 11 is stationary or moving at low speed. For example, for hydraulic systems capable of generating forces of several tons, it is possible to obtain a frequency response with a passband up to about 10 Hz and therefore with a prevailing time constant of 15-20 ms. Conversely, if the mechanical element 18 moves at high (constant or variable) speed, depending on the conditions present, Under certain operating conditions, serious errors in the value of the applied force may even occur.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Hydrauliksystem 10 "künstlich" flexibel gemacht, um eine Regelung selbst dann zu ermöglichen, wenn eine Last aufgrund der Bewegung des in Translationsrichtung beweglichen Elements 18 anliegt.According to the present invention, the hydraulic system 10 is made "artificially" flexible to enable control even when a load is applied due to the movement of the translationally movable element 18.

Um die dem Hydrauliksystem gemäß der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien darzulegen, zeigt Fig. 3 eine genauere Ansicht der Struktur des Servoventils 12 und insbesondere die Struktur des Gleitventils 30 des Servoventils.In order to illustrate the principles underlying the hydraulic system according to the invention, Fig. 3 shows a more detailed view of the structure of the servo valve 12 and in particular the structure of the slide valve 30 of the servo valve.

Um mit der Schaltung von Fig. 3 eine Kraft F in der gezeigten Richtung (nach rechts) zu erzielen, muß das Gleitventil 30 relativ zur Mittelposition nach links bewegt werden, um den Durchgang einer bestimmten Fluidmenge von der Versorgungsleitung 13 zur linken Kammer 15a zu ermöglichen und um gleichzeitig den Durchgang derselben Fluidmenge von der rechten Kammer 15b in die Rückführungsleitung 14 zu ermöglichen.In order to achieve a force F in the direction shown (to the right) with the circuit of Fig. 3, the slide valve 30 must be moved to the left relative to the center position in order to allow the passage of a certain amount of fluid from the supply line 13 to the left chamber 15a and to simultaneously allow the passage of the same amount of fluid from the right chamber 15b into the return line 14.

Wenn der Kolben 16 stationär ist, ist die Durchflußmenge Q des Fluids durch das Servoventil 12 gleich der Durchflußmenge QL durch die kalibrierte Blende 21, die grob als proportional zur Druckdifferenz Δp = p&sub1; - p&sub2; angesehen werden kann:When the piston 16 is stationary, the flow rate Q of the fluid through the servo valve 12 is equal to the flow rate QL through the calibrated orifice 21, which can be roughly considered proportional to the pressure difference Δp = p₁ - p₂:

QL = ΔP · KL (1)QL = ΔP · KL (1)

wobei KL der Ausströmkoeffizient durch die Blende 21 ist.where KL is the outflow coefficient through the orifice 21.

In einem Servoventil ist die linearisierte Beziehung zwischen der Durchflußmenge Q und der gesteuerten Druckdifferenz gegeben durch:In a servo valve, the linearized relationship between the flow rate Q and the controlled pressure difference is given by:

Q = GQ(I - Δp/Gp) (2)Q = GQ(I - Δp/Gp) (2)

wobei I der Strom des Servoventils ist, GQ die Verstärkung der Durchflußmenge ist und Gp die Druckverstärkung ist.where I is the servo valve current, GQ is the flow gain and Gp is the pressure gain.

Wenn der Kolben stationär ist, besteht zwischen der Druckdifferenz Δp und dem Servoventilstrom I dann, wenn Q gleich QL ist (Kontinuitätsgleichung) und daher (1) gleich (2) ist, die folgende Beziehung:When the piston is stationary, the following relationship exists between the pressure difference Δp and the servo valve current I when Q is equal to QL (continuity equation) and therefore (1) is equal to (2):

Δp = GQ · I(KL + GQ/GP) (3)Δp = GQ · I(KL + GQ/GP) (3)

Daher hat eine Änderung des Servoventil-Stroms eine entsprechende Änderung der Druckdifferenz und daher der geregelten Kraft zur Folge. Weiterhin ist die obige Gleichung unabhängig von der Position des Kolbens gültig, so daß unabhängig von der Position des Kolbens ein gegebener Servoventilstrom I die gleiche Druckdifferenz Δp ergibt. Das bedeutet auch, daß bei sich bewegendem Kolben die Bewegung des Kolbens selbst keine Druckänderung erzeugt. Wie im folgenden gezeigt wird, erzeugt die Geschwindigkeit, mit der sich der Kolben bewegt, eine Änderung der Drücke in den Kammern 15a, 15b des Zylinders 15.Therefore, a change in the servo valve current results in a corresponding change in the pressure difference and therefore in the controlled force. Furthermore, the above equation is valid independently of the position of the piston, so that regardless of the position of the piston, a given servo valve current I gives the same pressure difference Δp. This also means that when the piston is moving, the movement of the piston itself does not produce a pressure change. As will be shown below, the speed at which the piston moves produces a change in the pressures in the chambers 15a, 15b of the cylinder 15.

Wenn sich der Kolben 16 relativ zum Zylinder 15 mit der Geschwindigkeit V nach rechts bewegt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und wenn von der Kompressibilität des Fluids abgesehen wird, muß die Durchflußmenge Q durch das Servoventil 12 gleich der Summe aus der Durchflußmenge QL durch die kalibrierte Blende 21 und aus der durch die Bewegung des Kolbens erzeugten Durchflußmenge AV (dem Produkt aus der Geschwindigkeit des Kolbens, multipliziert mit seiner Fläche A) sein. Unter dieser Bedingung und unter Berücksichtigung von Gleichung (1) lautet die Kontinuitätsgleichung:When the piston 16 moves to the right relative to the cylinder 15 at the speed V as shown in Fig. 3, and ignoring the compressibility of the fluid, the flow rate Q through the servo valve 12 must be equal to the sum of the flow rate QL through the calibrated orifice 21 and the flow rate AV produced by the movement of the piston (the product of the speed of the piston multiplied by its area A). Under this condition and taking into account equation (1), the continuity equation is:

Q = QL + AV = KL · Δp + AV (4)Q = QL + AV = KL · Δp + AV (4)

Einsetzen von (2) in (4) und eine Anzahl einfacher Schritte ergeben für die Druckdifferenz Δp in diesem Fall: Inserting (2) into (4) and a number of simple steps yield the pressure difference Δp in this case:

Der Zählerterm AV/GQ bildet eine Störung, die einen Fehler in der Druckdifferenz und daher in der geregelten Kraft erzeugt; da die Fläche A des Kolbens entsprechend dem verfügbaren Druck und der maximal zu erzeugenden Kraft gewählt ist, ist eine große Durchflußverstärkung GQ, d. h. ein großes Servoventil erforderlich, um den durch die Geschwindigkeit des Kolbens erzeugten Druckfehler zu reduzieren. Das heißt, wenn alle anderen Bedingungen unverändert sind, ist der durch die Geschwindigkeit des Kolbens erzeugte Fehler um so kleiner, je größer das Servoventil ist. Für jede Anwendung besteht jedoch eine Grenze für die maximal zulässige Größe des Servoventils. Ein Anstieg der Größe des Servoventils hat tatsächlich eine Erhöhung eines internen Lecks und daher in der erforderlichen kontinuierlichen Strömung zur Folge; ferner hat eine Erhöhung der Durchflußverstärkung GQ eine Erhöhung der Verstärkung der Regelungsschleife zur Folge, die nur so weit erhöht werden kann, daß die Stabilität des Systems nicht gefährdet wird. Das obige Kraftregelungssystem weist an sich eine hohe Impedanz, d. h. ein hohes Verhältnis zwischen der erzeugten Kraft F und der Verschiebungsgeschwindigkeit V auf.The numerator term AV/GQ forms a disturbance that generates an error in the pressure difference and therefore in the controlled force; since the area A of the piston is chosen according to the available pressure and the maximum force to be generated, a large flow gain GQ, i.e. a large servo valve, is required to reduce the pressure error generated by the speed of the piston. That is, with all other conditions unchanged, the larger the servo valve, the smaller the error generated by the speed of the piston. However, for each application there is a limit to the maximum allowable size of the servo valve. An increase in the size of the servo valve actually results in an increase in an internal leak and therefore in the required continuous flow; furthermore, an increase in the flow gain GQ results in an increase in the gain of the control loop, which can only be increased to a level that does not endanger the stability of the system. The above force control system inherently has a high impedance, i.e. a high ratio between the generated force F and the displacement velocity V.

Um die Impedanz des Systems drastisch zu reduzieren, um es für eine Verschiebung flexibel zu machen, muß die Wirkung des Terms AV/GQ in (5) beseitigt oder wenigstens erheblich reduziert werden, weshalb die vorliegende Erfindung, um dies zu erzielen, einen Geschwindigkeitsmeßwandler vorsieht, um die Geschwindigkeit des Kolbens 16 relativ zum Zylinder 15 zu messen, ferner sieht sie eine Stufe für die Erzeugung eines Korrekturstroms I&sub1; vor. Fig. 4 zeigt ein Regelungssy stem 10', das im Vergleich zu dem bekannten System 10 in Fig. 2 außerdem eine weitere Regelungsschleife 35 innerhalb der Regelungseinheit 25' enthält. Die Schleife 35 enthält ihrerseits eine Kompensationsstufe 36, die mit einem Geschwindigkeitssignal V versorgt wird, das von einem dem Kolben 16 zugeordneten Wandler 37 erzeugt wird; ferner erzeugt die Stufe 36 einen Korrekturstrom I&sub1;, der an einen Additionsknoten 38 geliefert wird, durch den er zum Strom I addiert wird, der von der Regelungseinrichtung 29 erzeugt wird, wodurch der geregelte Gesamtstrom I&sub2; zum Servoventil 12 geschickt wird.In order to drastically reduce the impedance of the system to make it flexible for displacement, the effect of the term AV/GQ in (5) must be eliminated or at least significantly reduced, and to achieve this, the present invention provides a speed transducer to measure the speed of the piston 16 relative to the cylinder 15, and a stage for generating a correction current I₁. Fig. 4 shows a control system stem 10' which, compared to the known system 10 in Fig. 2, also includes a further control loop 35 within the control unit 25'. The loop 35 in turn includes a compensation stage 36 which is supplied with a speed signal V generated by a transducer 37 associated with the piston 16; furthermore, the stage 36 generates a correction current I₁ which is supplied to an addition node 38 by which it is added to the current I generated by the control device 29, whereby the total controlled current I₂ is sent to the servo valve 12.

Die Kompensationsstufe 36 ist nichts anderes als ein Multiplizierer, der das Geschwindigkeitssignal V empfängt und einen Strom I&sub1; entsprechend der folgenden Gleichung erzeugt:The compensation stage 36 is nothing more than a multiplier that receives the speed signal V and generates a current I₁ according to the following equation:

I&sub1; = K · V (6)I₁ = K · V (6)

Daher ergibt sich eine geregelte Druckdifferenz Δp von: This results in a controlled pressure difference Δp of:

Falls der Wert des Korrekturfaktors K so gewählt wird, daß K = A/GQ ist, wird die Störung, die in dem geregelten Druck durch die Geschwindigkeit des Kolbens 16 erzeugt wird, vollständig beseitigt, ist die Impedanz des Hydrauliksystems 10' null und kann sich der Kolben 16 daher mit jeder beliebigen Geschwindigkeit bewegen, ohne daß der geregelte Druck geändert wird. Dies wird in der Praxis durch den Korrekturstrom I&sub1; für das Servoventil 12 erzielt, das sich exakt um den Betrag öffnet, der erforderlich ist, um bei Anliegen der geforderten Druckdifferenz Δp diejenige Durchflußmenge AV durchzulassen, die durch die Bewegung des Kolbens 16 relativ zum Zylinder 15 erzeugt wird.If the value of the correction factor K is chosen such that K = A/GQ, the disturbance produced in the regulated pressure by the speed of the piston 16 is completely eliminated, the impedance of the hydraulic system 10' is zero and the piston 16 can therefore move at any speed without changing the regulated pressure. This is achieved in practice by the correction current I₁ for the servo valve 12, which opens exactly the amount required to allow the flow rate AV produced by the movement of the piston 16 relative to the cylinder 15 when the required pressure difference Δp is present.

Die obige Lösung ermöglicht mehrere Eigenschaften zur Verbesserung des Genauigkeitsgrades entsprechend der Geschwindigkeit des Kolbens 16. Da beispielsweise die Durchflußverstärkung GQ nicht konstant ist, sondern sich zusammen mit einer Änderung der geregelten Druckdifferenz ändert, kann der Multiplikationskorrekturfaktor K = A/GQ konstant sein und entsprechend dem Mittelwert von GQ gewählt werden oder er kann sich entsprechend den Änderungen der Durchflußverstärkungen mit p&sub1; und p&sub2; ändern (z. B. unter Verwendung einer im voraus gespeicherten Tabelle, wie in Fig. 4 symbolisch durch den Pfeil 40 angegeben ist.The above solution allows several features to improve the degree of accuracy according to the speed of the piston 16. For example, since the flow gain GQ is not constant but varies along with a change in the controlled pressure difference, the multiplication correction factor K = A/GQ can be constant and chosen according to the mean value of GQ or it can vary according to the changes in the flow gains with p₁ and p₂ (e.g. using a pre-stored table as symbolically indicated by the arrow 40 in Fig. 4).

Selbstverständlich können an dem Regelungssystem wie hier beschrieben und veranschaulicht Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.It should be understood that changes may be made to the control system as described and illustrated herein without departing from the scope of the appended claims.

Insbesondere kann das System gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft auf die aktive seitliche Aufhängung eines Eisenbahnwagens angewendet werden, um eine Rezentrierung bei der Kurvenfahrt sicherzustellen, indem eine der erzeugten Zentrifugalkraft entgegengesetzte Kraft erzeugt wird, und um außerdem jegliche Stöße auf das Fahrgestell zu absorbieren, die eine schnelle Verschiebung des Kolbens hervorrufen können, indem das System wie oben beschrieben "künstlich" elastisch gemacht wird.In particular, the system according to the present invention can be advantageously applied to the active lateral suspension of a railway carriage in order to ensure recentering during cornering by generating a force opposite to the centrifugal force generated and also to absorb any shocks on the chassis that could cause rapid displacement of the piston by making the system "artificially" elastic as described above.

Der gezeigte Blockschaltplan kann je nach Anforderung abgewandelt werden. Insbesondere kann die Stromversorgungseinheit für die Erzeugung des an das Servoventil gelieferten Stroms von der Regelungseinrichtung 29 und von der Kompensationseinheit 37 getrennt ausgebildet sein und hinter dem Additionsknoten 38 angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Regelungseinrichtung 29 und die Kompensationseinheit 37 jeweilige elektronische Steuersignale erzeugen, die im Knoten 38 addiert und anschließend verstärkt werden.The block diagram shown can be modified as required. In particular, the power supply unit for generating the current supplied to the servo valve can be designed separately from the control device 29 and the compensation unit 37 and arranged behind the addition node 38, in which case the control device 29 and the compensation unit 37 generate respective electronic control signals which are added in the node 38 and then amplified.

Claims

1. Hydraulic force control system (10') provided with a hydraulic actuator (11) containing a cylinder (15) in which a piston (16) is housed which is movable relative to the cylinder (15) and generates an actual force; a hydraulic circuit (12-14) which supplies the cylinder and in turn contains a control element (12) for controlling the supply to the cylinder; and a force control loop which in turn contains a measuring unit (22a, 22b, 26, 27) for measuring the actual force, a differential unit (28) which receives a signal (Fm) for the actual force from the measuring unit and a nominal force signal (Fr) and generates an error signal (E), and a control device (29) which receives the error signal and generates a first control signal (I) for controlling the control element (12); characterized in that the force control loop contains a speed measuring device (37) for measuring the speed (V) of the piston (16) relative to the cylinder (15); and a compensation device (36) for generating a further control signal (I₁) for the control element (12) based on the speed and in such a way that a substantially elastic behavior of the hydraulic system (10') is achieved.

2. Hydraulic system according to claim 1, characterized in that the compensation device (36) contains a multiplier for multiplying a speed signal (V) generated by the speed measuring device (37) by a multiplication factor (K).

3. Hydraulic system according to claim 2, characterized in that the multiplication factor (K) is equal to (A/GQ), where A is the area of the piston (16) and GQ is the flow gain of the control element (12).

4. Hydraulic system according to claim 3, characterized in that the multiplication factor (K) is a constant.

5. Hydraulic system according to claim 3, characterized in that the multiplication factor (K) is variable and depends on the pressure difference (Δp) in the cylinder (15) of the actuator (11).

6. Hydraulic system according to any one of the preceding claims, characterized in that it contains an addition element (38) which receives the first control signal (I) and the further control signal (I₁) and generates a sum signal (I₂) which is supplied to the control element (12).

7. Hydraulic system according to any one of the preceding claims, characterized in that the control element contains a servo valve (12).

8. Hydraulic system according to any one of the preceding claims, characterized in that it forms an active lateral suspension (4) of a railway carriage (1).