DE69515629T2

DE69515629T2 - Methode und Ventilanordnung zur Regelung eines Pilotsignals

Info

Publication number: DE69515629T2
Application number: DE69515629T
Authority: DE
Inventors: Michael Edward Robert
Original assignee: MAC Valves Inc
Current assignee: MAC Valves Inc
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: JP2840214B2; ES2146290T3; BR9505907A; JPH08233137A; US5499647A; EP0722135A1; DE69515629D1; EP0722135B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Fluid. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Fluidstroms mittels Druckregulierung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Elektropneumatische Regelventile werden üblicherweise dazu benutzt, den Druckausgang mechanischer Booster-Regulatoren zu überwachen und zu regeln. Die Regulatoren wiederum betätigen pneumatische Vorrichtungen wie beispielsweise Schweißpistolen und Anstrichsysteme. Im Stand der Technik umfassen diese Regelventile üblicherweise ein Paar solenoid-betriebener Tellerventile, die sich in Abhängigkeit von den Signale von der Steuerschaltung öffnen und schließen, um einen vorbestimmten Pilotdruck aufrechtzuerhalten, wie durch von der Bedienungsperson ausgewählte Steuerspannungen vorgegeben. Ein elektropneumatischer Wandler in einer Rückkopplungsschleife wird üblicherweise dazu benutzt, den Pilotdruck-Ausgang der Regelventile zu steuern.
Vom Stand der Technik her bekannte und gegenwärtig im Handel erhältliche Regelventile sind in der Lage, sehr präzise Pilotdrücke zu erzeugen, annähernd 0,2 PSI des Steuerdrucks. Während der Pilotdruck der Steuerventile nach dem Stand der Technik präzise kontrolliert wird, gibt es Probleme mit der Steuerung des Ausgangsdrucks von den mechanischen Regulatoren. Trotz der Präzision der Regelventile können die Regulatoren bis zu 5 psi von ihrem Solldruck abweichen. Diese Bedingungen einer solch extremen Abweichung sind bei den heutigen Qualitätsprüfungs-Standards inakzeptabel.
Um dieses Problem in Angriff zu nehmen, ist eine zweite Rückkopplungsschleife verwendet worden, in welcher ein Wandler zum Kontrollieren des Regulatorausgangs verwendet wird. Diese zusätzliche Rückkopplung erzeugt jedoch andere Probleme. Erstens müssen das Regelventil und seine Steuerschaltung bei dieser Konfiguration Parameter einschließen, die verantwortlich sind für sowohl die Dynamik der solenoid-betriebenen Ventile als auch die Ventilwirkung des mechanischen Regulators. Typischerweise über- oder unterschreitet der Regulator-Ausgangsdruck den Solldruck, wodurch das Steuerventil veranlaßt wird, sein Ziel zu "verfolgen". Die solenoid-betriebenen Ventile öffnen und schließen somit in rascher Folge, was übermäßigen Verschleiß, vorzeitiges Versagen sowie Druckinstabilität nach sich zieht und ein Geräusch erzeugt, das gemeinhin als "Motorboot"-Geräusch bezeichnet wird. Eine Beschreibung einer Variation eines Rückkopplungs- Systems findet sich in US-A-5526838.
Zusätzliche Rückkopplungsleitungen und zusätzliche Wandler sind teuer und können die Kosten der Regelventile in unzulässiger Weise erhöhen, bei geringem Erfolg bei der Reduzierung der Unterdämpfungs-Leistungen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Pilot-Regelanordnung regelt einen Ausgangsdruck eines Booster-Regulators verwendet zur Regulierung des Druckes einer Fluidversorgung an einem Ausgangsanschluß. Der Ausgangsdruck basiert auf einem Befehlssignal. Die Pilot-Regelanordnung umfaßt ein Ventil, welches einen Ventilausgangsanschluß in Fluidkommunikation mit dem Booster-Regulator definiert. Das Ventil empfängt Fluid von der Fluidversorgung zum Erzeugen eines Pilotsignals zur Regelung des Booster-Regulators. Das Ventil umfaßt weiterhin einen elektrischen Anschluß. Eine Pilotdruck- Rückkopplungsschleife befindet sich in Fluidkommunikation mit dem Ventil-Ausgangsanschluß und ist auch mit dem elektrischen Anschluß elektrisch verbunden. Die Pilotdruck-Rückkopplungsschleife erzeugt ein Pilotdruck-Rückkopplungssignal, das auf dem Pilotsignal basiert. Eine Ausgangs-Rückkopplungsschleife befindet sich in Fluidkommunikation mit dem Ausgangsanschluß des Booster-Regulators und ist mit dem elektrischen Anschluß elektrisch verbunden. Die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife erzeugt ein Ausgangs-Rückkopplungssignal, das auf dem Ausgangsdruck des Booster-Regulators basiert. Die Pilotsignal-Regelanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife eine Integrations-Schaltung zum Integrieren der Differenz zwischen dem Pilotdruck-Rückkopplungsschleifensignal und dem Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal zum Erzeugen eines integrierten Rückkopplungssignals umfaßt.
Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile umfassen die Regelung eines Ventils zum vorzeitigen Verlangsamen des Ansteigens des Ausgangsdrucks, der durch den Booster-Regulator erzeugt wird, wodurch das Ventil daran gehindert wird, sein Ziel zu überschreiten bis zu dem Punkt, ein unterdämpftes System zu erzeugen, welches Instabilität verhindert, die das "Motorboot"- Geräusch-Phenomen erzeugt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klar ersichtlich, wenn diese nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung besser verstanden wird, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, worin zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Pilotdrucksignals als Funktion des Fehlersignals; und
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Ausgangsdrucks des Booster-Regulators.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In Fig. 1 ist eine Pilotsignal-Regelanordnung allgemein mit 10 bezeichnet. Die Pilotsignal-Regelanordnung 10 regelt einen Ausgangsdruck Po(t) eines Booster-Regulators 12, welcher zur Re gulierung des Druckes einer Fluidversorgung 14 an einem Ausgangsanschluß 16 verwendet wird.
Die Pilotsignal-Regeleinrichtung 10 umfaßt ein Ventil 18, das sich in Fluidkommunikation mit der Fluidversorgung 14 und dem Booster-Regulator 12 befindet. Obgleich das Ventil 18 irgendein zur Benutzung mit der Pilotsignal-Regelanordnung 10 geeignetes Ventil sein kann, ist die bevorzugte Ausführungsform des Ventils 18 ein Tellerventil ähnlich dem Tellerventil beschrieben in dem US-Patent 5,092,365, das am 3. März 1992 für Neff erteilt und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Auf dieses Patent wird hierbei ausdrücklich Bezug genommen.
Das Ventil 18 erhält Fluid von der Fluidversorgung 14, in der bevorzugten Ausführungsform eine Luftzuführung, zur Erzeugung eines Pilotdrucks durch eine Pilotdruck-Leitung 20. Der Pilotdruck ist ein Signal und wird dazu verwendet, den Booster- Regulator 12 zu regulieren. Das Ventil 18 enthält außerdem einen elektrischen Anschluß 22 zum Empfangen eines Fehlersignals E(t), welches nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Eine - allgemein als 24 gezeigte - Pilotdruck-Rückkopplungsschleife befindet sich in Fluidkommunikation mit der Pilotdruck- Leitung 20 und ist mit dem elektrischen Anschluß 22 des Ventils 18 elektrisch verbunden. Die Pilotdruck-Rückkopplungsschleife 24 beinhaltet einen Wandler 26, der sich in direkter Fluidkommunikation mit der Pilotdruck-Leitung 20 befindet. Der Wandler 26 ist ein Druck-Spannungs-Umformer und transformiert von der Pilotdruck-Leitung 20 in Form von Fluiddruck erhaltene Energie in ein Spannungssignal P(t), das anschließend dazu verwendet wird, das Fehlersignal E(t) zu definieren, welches nachstehend noch näher beschrieben wird. Die Pilotdruck-Rückkopplungsschleife 24 beinhaltet eine proportionale Rückkopplungs-Schaltung 28, die das Spannungssignal P(t) modifiziert, gemäß der folgenden Gleichung:
P'(t) = AP(t) (1),
wobei der proportionale Faktor A ein Faktor ist, der die Kalibrierung des Booster-Regulators 12 darstellt. Der proportionale Faktor A ändert sich in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Kalibrierung des Booster-Regulators 12, an den die Pilotsignal- Regelanordnung 10 angeschlossen ist.
Die Pilotsignal-Regelanordnung 10 umfaßt ferner - allgemein als 30 dargestellt - eine Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife, die fluid-technisch mit dem Ausgangsanschluß 16 des Booster- Regulators 12 kommuniziert und mit dem elektrischen Anschluß 22 des Ventils 18 elektrisch verbunden ist. Die Ausgangsdruck- Rückkopplungsschleife 30 erzeugt ein Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal, das auf dem Ausgangsdruck des Booster-Regulators 12 basiert. Ähnlich wie die Pilotdruck-Rückkopplungsschleife 24 beinhaltet die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife einen Wandler 32, der ein Druck-Spannungs-Umformer ist und von dem Ausgangsanschluß 16 in Form von Fluiddruck erhaltene Energie in ein Spannungssignal O(t) transformiert, welches anschließend dazu verwendet wird, das Fehlersignal E(t) zu erzeugen.
Sobald das Spannungssignal O(t) von dem Wandler 32 erzeugt worden ist, modifiziert eine zweite proportionale Rückkopplungs schaltung 34 das Ausgangssignal O(t) gemäß der folgenden Gleichung:
O'(t) = BO(t) (2),
wobei der proportionale Faktor B ein Faktor ist, der die Kalibrierung des Booster-Regulators 12 darstellt. Der proportionale Faktor B ändert sich in Abhängigkeit von der Kalibrierung des Booster-Regulators 12, mit dem die Pilotsignal-Regelanordnung 10 verbunden ist.
Nachdem das Pilotdruck-Rückkopplungssignal und die Ausgangsdruck-Rückkopplungssignale erzeugt worden sind, subtrahiert eine Subtraktionsschaltung 36 das Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal von dem Pilotdruck-Rückkopplungssignal, um ein Differenzsignal gemäß der folgenden Gleichung zu erzeugen:
E'(t) = P'(t) - O'(t) (3)
Die Pilotsignal-Regelanordnung 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife 30 eine Integrationsschaltung 38 einschließt, zum Integrieren der Differenz zwischen dem Pilotdruck-Rückkopplungssignal und dem Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal, um ein integriertes Rückkopplungssignal zu erzeugen. Genauer gesagt, erhält die Integrationsschaltung 38 das Signal von der Subtraktionsschaltung 36 und integriert dessen Ausgabe zur Erzeugung eines integrierten Signals aus dem Subtraktionssignal. Die Integrationsschaltung 38 modifiziert also die Ausgabe der Subtraktionsschaltung 36 gemäß der folgenden Gleichung:
G(t) = (P'(t)-O'(t)dt (4)
Eine Addierschaltung 40 addiert das integrierte Signal G(t) zu dem von der Eingangsleitung 41 erhaltenen Steuersignal C(t). Das Steuersignal C(t) wird durch eine externe Steuereinheit (nicht Teil des Gegenstands der Erfindung) erzeugt, die bestimmt, wann der Booster-Regulator 12 einen Ausgangsdruck haben wird.
Eine elektrische Anschluß-Subtraktionsschaltung 42 erhält das modifizierte Steuersignal und subtrahiert von ihm das Pilotdruck-Rückkopplungssignal P'(t) zur Erzeugung des Fehlersignals E(t) gemäß der folgenden Gleichung:
E(t) = [C(t) + (P'(t))dt-(t)]. (5)
Wenn das Ventil 18 und der Booster-Regulator 12 sich einem statischen Zustand annähern, d. h. wenn der Booster-Regulator 12 den gewünschten Ausgangsdruck erreicht oder sich ihm annähert, wird die Integration ausgelöscht, und die Gleichung wird:
E(t) = C(t) + P'(t)-O'(t)-P'(t). (6)
Im statischen Zustand löscht sich das Pilotdruck-Rückkopplungssignal daher aus, und das Fehlersignal wird:
E(t) = C(t)-C(t)-O'(t) (7),
welches umgeschrieben werden kann als:
O'(t) = C(t)-E(t). (8).
Damit wird der Ausgangsdruck O'(t) das Steuersignal minus das Fehlersignal. Wenn der Fehler gegen 0 geht, ist der Ausgangsdruck gleich dem Steuersignal.
Bei Verwendung der Anordnung 10 - wie oben beschrieben - schließt der Vorgang des Regelns des Ausgangsdrucks des Booster- Regulators 12 die folgenden Schritte ein: Öffnen des Ventils 18 zur Erzeugung eines Pilotdrucks; Öffnen des Booster-Regulators 12 basierend auf dem vom Ventil 18 erhaltenen Fluid zur Erzeugung eines Ausgangsflusses, der einen Ausgangsdruck Po(t) definiert; Transformieren von Energie von dem Ausgangsdruck in ein Ausgangsdruck-Spannungssignal O(t); Transformieren von Energie von dem Pilotdruck in ein Pilotdruck-Spannungssignal; Subtrahieren des Ausgangsdruck-Spannungssignals von dem Pilotdruck- Spannungssignal zur Erzeugung eines Differenzsignals; Integrieren der verschiedenen Signale zur Erzeugung eines integrierten Signals; und Addieren des integrierten Signals zu einem Steuersignal. Das Verfahren umfaßt ferner den Schritt der Subtraktion des Pilotdruck-Spannungssignals von dem Steuersignal zur Erzeugung des Fehlersignals. Nachdem das Fehlersignal erzeugt worden ist, wird es zu dem Ventil 18 gesandt und regelt dieses.
Fig. 2 zeigt einen Graph zur Darstellung von Arbeitsweise oder Zustand des Ventils 18 als Funktion des Wertes des Fehlersignals. Genauer gesagt, stellt die Y-Achse die Steuerung für das Ventil 18 dar zum Füllen oder Entleeren der Pilotdruck- Leitung 20. Wenn also das Fehlersignal ein negatives Signal erzeugt, das größer ist als der Schwellwert -Es, wird das Ventil 18 den Druck in der Pilotdruck-Leitung 20 erhöhen. Wenn das Fehlersignal jedoch größer ist als ein positiver Schwellwert Es, wird das Ventil 18 den Druck in der Pilotdruck-Leitung 20 ablassen oder reduzieren. Zwischen den Schwellenwerten -Es, Es- wird das Ventil 18 den Druck in der Pilotdruck-Leitung 20 aufrechterhalten. Die in Fig. 2 gezeigte Hysterese ist in das Ventil 18 hineingebaut, so daß das Ventil 18 nicht sofort auf die aufgrund des Füllens oder Entleerens des Ventils 18 verursachte Druckveränderung anspricht. Die Hysterese erhöht auch die Lebensdauer des Ventils 18, da es nicht unnötigerweise rasch zwischen verschiedenen Zuständen hin und her schaltet. Obgleich die Schwellwerte -Es, Es als gleich und entgegengesetzt dargestellt sind, kann irgendein Wert von jedem der Schwellwerte geeignet sein, abhängig von der Umgebung, in der der Booster-Regulator 12 zur Anwendung kommt.
In Fig. 3 ist das Steuersignal durch eine durchgezogene Linie dargestellt, die einer Schritt-Funktion entspricht. Der Ist- Pilotdruck ist in einer gestrichelten Linie gezeigt. Das Ventil 18 spricht auf das Fehlersignal E(t) an, das auf dem modifizierten Steuer-Drucksignal basiert, und reduziert den Druck des Pilotsignals zum Booster-Regulator 12 und beginnt sofort damit, die Ausgabe des Booster-Regulators 12 zu reduzieren. Wenn sich die Ausgabe des Booster-Regulators 12 dem gewünschten Ausgangsdruck annähert, nähert sich das System einem statischen Zustand, und die Wirkung des Pilotdruck-Rückkopplungssignals auf das Steuersignal wird eliminiert, und der Ausgangsdruck entspricht dem Steuersignal minus dem Fehlersignal. Wenn sich das Fehlersignal 0 nähert, ist der Ausgangsdruck gleich dem Steuersignal.

Claims

1. Pilotsignal-Regelanordnung (10) zur Regelung eines Ausgangsdrucks (P(t)) eines Booster-Regulators (12) zur Regulierung des Druckes einer Fluidversorgung (14) an einem Ausgangsanschluß (16) basierend auf einem Befehlssignal (C(t)), wobei die Pilotsignal-Regelanordndung (10) umfaßt:

ein Ventil (18), welches eine Ventilausgangsanschluß in Fluidkommunikation mit dem Booster-Regulator (12) definiert, wobei das Ventil (18) von der Fluidversorgung (14) Fluid empfängt zum Erzeugen eines Pilotsignals zur Regelung des Booster-Regulators, wobei das Ventil (18) auch einen elektrischen Anschluß (22) umfaßt;

eine Pilotdruck-Rückkopplungsschleife (24), welche sich mit dem Ventil-Ausgangsanschluß in Fluidkommunikation befindet und mit dem elektrischen Anschluß (22) elektrisch verbunden ist, wobei die Pilotdruck-Rückkopplungsschleife (24) ein Pilotdruck-Rückkopplungssignal (P'(t)) erzeugt, das auf dem Pilotsignal (P(t)) basiert;

eine Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife (30), welche sich mit dem Ausgangsanschluß (16) des Booster- Regulators (12) in Fluidkommunikation befindet und mit dem elektrischen Anschluß (22) elektrisch verbunden ist, wobei die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife (30) ein Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal (O'(t)) erzeugt, das auf dem Ausgangsdruck (P(t)) des Booster-Regulators (12) basiert;

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife (30) eine Integrations-Schaltung (38) zum Integrieren der Differenz (E'(t)) zwischen dem Pilotdruck-Rückkopplungsschleifensignal (P'(t)) und dem Ausgangsdruck-Rückkopplungssignal (O'(t)) umfaßt, zum Erzeugen eines integrierten Rückkopplungssignals (G(t)).

2. Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch eine Addierschaltung (40) zum Addieren des Befehlssignals (C(t)) und des integrierten Rückkopplungssignals (G(t)) zum Erzeugen eines modifizierten Befehlssignals.

3. Anordnung nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet durch eine elektrische Anschluß-Subtraktionsschaltung (42) zum Subtrahieren des Pilotdruck-Rückkopplungssignals (P'(t)) von dem modifizierten Befehlssignals.

4. Verfahren zur Regelung eines Ausgangsdrucks eines Booster- Regulators (12) durch ein Ventil (18) umfassend eine Pilotdruck-Rückkopplungsschleife (24) und eine Ausgangsdruck-Rückkopplungsschleife (30), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Öffnen des Ventils (18) zum Erzeugen eines Pilotdrucks;

Öffnen des Booster-Regulators (12), basierend auf dem von dem Ventil (18) empfangenen Fluid, zum Erzeugen ei nes Ausgangsflusses, der einen Ausgangsdruck (P(t)) definiert;

Transformieren von Energie von dem Ausgangsdruck in ein Ausgangsdruck-Spannungssignal (O(t));

Transformieren von Energie von dem Pilotdruck in ein Pilotdruck-Spannungssignal (P(t));

gekennzeichnet durch Subtrahieren des Ausgangsdruck- Spannungssignals (O'(t)) von dem Pilotdruck-Spannungssignal (P'(t)) zum Erzeugen eines Differenzsignals (E'(t);

Integrieren des Differenzsignals (E'(t)) zum Erzeugen eines integrierten Signals (G(t)); und

Addieren des integrierten Signals (G(t)) zu einem Befehlssignal (C(t)).

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch Subtrahieren des Pilotdruck-Spannungssignals (P'(t)) von dem modifizierten Befehlssignal zum Erzeugen eines Fehlersignals (E(t)).

6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin gekennzeichnet durch Senden des Fehlersignals (E(t)) zu dem Ventil (18) zum Regeln des Ventils.