EP4505080B1 - Verfahren zur einstellung einer druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen aktor sowie hydraulisches system - Google Patents

Verfahren zur einstellung einer druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen aktor sowie hydraulisches system

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EP4505080B1
EP4505080B1 EP24714162.5A EP24714162A EP4505080B1 EP 4505080 B1 EP4505080 B1 EP 4505080B1 EP 24714162 A EP24714162 A EP 24714162A EP 4505080 B1 EP4505080 B1 EP 4505080B1
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EP
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knowledge
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variable
decision system
displacement volume
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Raimund PELZ
Axel Helm
Bernd Schnabel
Christian Gummich
Dr. Thomas PÄSSLER
Willy REICHERT
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Parker Hannifin EMEA SARL
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the present invention relates to a method for adjusting a pressure medium supply for at least one hydraulic actuator and a hydraulic system comprising at least one hydraulic actuator.
  • the volume flow and/or the discharge pressure can be adjusted over time by adjusting the displacement volume of the adjustable displacement unit and/or the drive speed. Since the delivery system, consisting of an adjustable displacement unit and a variable-speed drive, has two degrees of freedom that can be adjusted with a control system, it has proven difficult in practice to operate the hydraulic system optimally.
  • control of the hydraulic system includes a knowledge-based decision system.
  • the basic idea of the invention is that instead of a concrete optimization problem, an improvement of the system behavior (energy consumption, dynamic behavior) is achieved on the basis of a knowledge-based decision-making system (e.g. fuzzy logic, neural network).
  • a knowledge-based decision-making system e.g. fuzzy logic, neural network.
  • fuzzy logic input variables of the fuzzy logic are assigned to a set based on their degree of membership.
  • operations fuzzy rules
  • fuzzy logic operations (fuzzy rules) are executed that lead to concrete values or sets of values on the basis of which the next cycle is run.
  • the membership functions and the fuzzy rules are based on expert knowledge, which in turn can be based on component knowledge, simulations, empirical values or experiments.
  • the knowledge-based decision system is set up to provide a manipulated variable for setting the speed of the drive.
  • a discrete output variable or a discrete set of output variables provided by the knowledge-based decision system is therefore used as a manipulated variable for setting the speed of the drive.
  • a discrete output variable exists, for example, when the knowledge-based decision system specifies exactly one value for the speed of the drive during an entire cycle.
  • a discrete set of output variables exists when the knowledge-based decision system specifies several different speed variables for a cycle for the drive. It can therefore be provided that the speed of the drive is set exclusively taking the knowledge-based decision system into account, while the displacement volume of the displacement unit is also set in a closed control loop, possibly without taking into account a specification from the knowledge-based decision system.
  • the operations (fuzzy rules) of the fuzzy logic are designed in particular so that a value, possibly referred to as a reference value, is optimized for a cycle.
  • the operations of the fuzzy logic are designed in particular so that the output variables can lead to an optimization of energy consumption and/or an improvement of the dynamic behavior of a cycle.
  • both the assignment of input variables to the fuzzy set and the fuzzy rules of the fuzzy logic are based on expert knowledge, which is derived primarily from component knowledge, simulations, empirical values, and experiments. Fuzzy logic is well known in itself, so the specific implementation of fuzzy logic will not be discussed further here.
  • the control system also includes a knowledge-based decision system 5, whose output variables are transferred to a feedforward control 8.
  • the knowledge-based decision system 5 also receives the process parameters, such as speed, displacement volume, and energy consumption of the drive 3, as input variables.
  • the knowledge-based decision system 5 is implemented as a fuzzy logic/algorithm.
  • the knowledge-based decision system 5 can be implemented as a neural network.
  • the process variables recorded in an identification cycle are fed to the knowledge-based decision system 5, whereby these input variables are assigned to fuzzy sets 9 with a degree of membership when the knowledge-based decision system is designed as fuzzy logic. Based on the fuzzy sets 9 thus defined, an operation (fuzzy rules 10) is carried out, resulting in discrete output variables 11. These output variables 11 are fed to the feedforward control 8, whereby the value for the speed of the drive 3 is fed to the drive 3 as a manipulated variable. The value for the change in the displacement volume is fed to the manipulated variable of the controller 7 for adjusting the displacement volume.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen Aktor und ein hydraulisches System, welches mindestens einen hydraulischen Aktor umfasst.
  • Das hydraulische System umfasst insbesondere eine in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbare Verdrängereinheit, die den hydraulischen Aktor mit einem Druckmittel versorgt, einen drehzahlvariablen Antrieb, der die Verdrängereinheit antreibt, und eine Regelung zur Einstellung des Verdrängungsvolumens der Verdrängereinheit und der Drehzahl des Antriebs. Dementsprechend sieht das Verfahren vor, dass der Aktor von einer in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbaren Verdrängereinheit mit einem Druckmittel versorgt wird, die Verdrängereinheit von einem drehzahlvariablen Antrieb angetrieben wird und eine dem Aktor zuzuführende Druckmittelmenge durch ein Größen-Profil vorgegeben wird.
  • Bei solchen hydraulischen Systemen wird ein sich zyklisch wiederholendes Größen-Profil für die von dem hydraulischen Aktor einzunehmenden Zustände vorgegeben. Beispielsweise wird ein von dem hydraulischen Aktor einzunehmendes zeitabhängiges Wegeprofil (oder Positionsprofil) vorgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Kraftprofil vorgegeben werden.
  • Zur Erzielung des vorgegebenen Größen-Profils können durch entsprechende Anpassung des Verdrängungsvolumens der verstellbaren Verdrängereinheit und/oder der Drehzahl des Antriebs der Volumenstrom und/oder der Förderdruck in einem zeitlichen Verlauf eingestellt werden. Da das Fördersystem aus verstellbarer Verdrängereinheit und drehzahlvariablem Antrieb zwei Freiheitsgrade aufweist, die mit einer Regelung eingestellt werden können, hat es sich in der Praxis als problematisch erwiesen, das hydraulische System optimal zu betreiben.
  • DE 10 2013 006 137 A1 schlägt zur Verbesserung des Energieverbrauchs daher vor, dass in die Regelung zur Einstellung des Drehzahlsollwerts und des Sollwerts für das Verdrängungsvolumen ein modellbasiertes Optimierungsproblem integriert wird, wozu eine Zielfunktion für den Verfahrensablauf vorgegeben wird. Ein solches Optimierungsproblem erfordert es aber auch, dass neben dem Größen-Profil weitere Parameter des Systems eingepflegt werden. Ein weiteres Verfahren zur Einstellung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor ist aus CN 112 196 843 B bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug zum Stand der Technik erläuterten Nachteile zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren zur Einstellung einer Druckmittelzufuhr und ein hydraulisches System anzugeben, mit denen auf alternative Weise Eigenschaften wie bspw. der Energieverbrauch und/oder das dynamische Verhalten eines hydraulischen Systems verbessert werden kann, wobei insbesondere auch die Inbetriebnahme vereinfacht werden soll.
  • Eine Lösung für diese Aufgabe ist mit dem Verfahren und dem hydraulischen System mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs angegeben. Mögliche weitere Lösungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in der vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung sowie in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei einzelne Merkmale der vorteilhaften Weiterbildungen in technisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar sind.
  • Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein Drehzahlsollwert des Antriebs und/oder ein Sollwert für das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit unter Berücksichtigung eines wissensbasierten Entscheidungssystems eingestellt wird. Bevorzugt wird sowohl der Drehzahlsollwert des Antriebs als auch der Sollwert für das Verdrängungsvolumen unter Berücksichtigung des wissensbasierten Entscheidungssystems eingestellt. Das wissensbasierte Entscheidungssystem kann beispielsweise als Fuzzylogik oder als Neuronales Netz ausgebildet sein.
  • Dementsprechend wird auch vorgeschlagen, dass die Regelung des hydraulischen Systems ein wissensbasiertes Entscheidungssystem umfasst.
  • Mit anderen Worten: Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, dass anstatt eines konkreten Optimierungsproblems eine Verbesserung des Systemverhaltens (Energieverbrauch, dynamisches Verhalten) auf Basis eines wissensbasierten Entscheidungssystems (beispielsweise Fuzzylogik, Neuronales Netz) erfolgt. Bei Nutzung der Fuzzylogik werden Eingangsgrößen der Fuzzylogik einer Menge aufgrund eines Grades ihrer Zugehörigkeit zugeordnet. In der Fuzzylogik werden Operationen (Fuzzyregeln) ausgeführt, die zu konkreten Werten oder Sätzen von Werten führen, auf deren Basis der nächste Zyklus durchlaufen wird. Die Zugehörigkeitsfunktionen und die Fuzzyregeln basieren auf Expertenwissen, das wiederum auf Komponentenwissen, Simulationen, Erfahrungswerten oder Experimenten beruhen können. Somit kann ein einmal eingerichtetes wissensbasiertes Entscheidungssystem bei einer Änderung des vorgegebenen Größen-Profils die Drehzahl des Antriebs und das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit insbesondere dahingehend optimieren, dass weniger Energie für einen Zyklus verbraucht wird bzw. das dynamische Verhalten bei kritischen Vorgängen im Zyklus verbessert wird.
  • Hierzu kann der durch das Größen-Profil vorgegebene Zyklus durch das wissensbasierte Entscheidungssystem in verschiedene zeitlich hintereinander angeordnete Segmente unterteilt werden, die sich insbesondere durch eine Änderung zumindest einer Zustandsgröße des Größen-Profils voneinander unterscheiden, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem bevorzugt die Drehzahl und das Verdrängungsvolumen für jedes Segment des Zyklus optimiert. In dem dann jeweils folgenden Zyklus wird die Drehzahl (oder ggf. die unterschiedlichen Drehzahlen der mehreren Segmente) und das Verdrängungsvolumen (oder ggf. die unterschiedlichen Verdrängungsvolumina der mehreren Segmente) unter Berücksichtigung der Ausgangswerte des wissensbasierten Entscheidungssystems geändert und unter Berücksichtigung der in dem Zyklus verbrauchten Energie für den nächsten Zyklus weiter optimiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Einstellung des Verdrängungsvolumens ein geschlossener Regelkreis ausgebildet, so dass die Einstellung des Verdrängungsvolumens in einem geschlossenen Regelkreis erfolgt. So wird beispielsweise auf Basis des vorgegebenen Größen-Profils das Verdrängungsvolumen entsprechend den Anforderungen des Größen-Profils innerhalb eines Zyklus mittels eines geschlossenen Regelkreises geändert.
  • Es ist hingegen bevorzugt vorgesehen, dass das wissensbasierte Entscheidungssystem zur Bereitstellung einer Stellgröße zur Einstellung der Drehzahl des Antriebs eingerichtet ist. Es wird also eine von dem wissensbasierten Entscheidungssystem bereitgestellte diskrete Ausgangsgröße oder ein diskreter Ausgangsgrößensatz als Stellgröße zur Einstellung der Drehzahl des Antriebs verwendet. Eine diskrete Ausgangsgröße liegt beispielsweise dann vor, wenn das wissensbasierte Entscheidungssystem genau einen Wert für die Drehzahl des Antriebs während eines gesamten Zyklus vorgibt. Ein diskreter Ausgangsgrößensatz liegt dann vor, wenn das wissensbasierte Entscheidungssystem mehrere, sich voneinander unterscheidende Drehzahlgrößen eines Zyklus für den Antrieb vorgibt. Es kann also vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Antriebs ausschließlich unter Berücksichtigung des wissensbasierten Entscheidungssystems eingestellt wird, während das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit auch in einem geschlossenen Regelkreis, gegebenenfalls ohne Berücksichtigung einer Vorgabe durch das wissensbasierte Entscheidungssystem eingestellt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist aber vorgesehen, dass das wissensbasierte Entscheidungssystem zur Bereitstellung einer Vorsteuergröße der Stellgröße zur Einstellung des Verdrängungsvolumens eingerichtet ist. In diesem Fall wird also eine diskrete Ausgangsgröße (wenn das Verdrängungsvolumen über einen Zyklus konstant ist) oder ein diskreter Ausgangsgrößensatz (wenn sich das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit über einen Zyklus ändert) dem wissensbasierten Entscheidungssystem als Vorsteuergröße der Stellgröße zur Einstellung des Verdrängungsvolumens zugeführt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass auch das Verdrängungsvolumen alleine unter Berücksichtigung des wissensbasierten Entscheidungssystems geregelt wird. Der von dem wissensbasierten Entscheidungssystem als Vorsteuerwert bereitgestellte Korrekturwert des Verdrängungsvolumens dient also zur weiteren Optimierung des Energieverbrauchs.
  • Dem wissensbasierten Entscheidungssystem werden die Parameter eines Zyklus als Eingangsgröße zugeführt. Beispielsweise kann die während eines Zyklus eingestellte Drehzahl oder die während eines Zyklus eingestellten Drehzahlen als Eingangsgröße dem wissensbasierten Entscheidungssystem zugeführt werden. Zudem kann das eine während eines Zyklus eingestellte Verdrängungsvolumen oder die verschiedenen, während eines Zyklus eingestellten Verdrängungsvolumina dem wissensbasierten Entscheidungssystem zugeführt werden. Zudem können dem wissensbasierten Entscheidungssystem die Prozessgrößen, wie Weg, Kraft, zugeführt werden. Schließlich wird auch die während eines Zyklus verbrauchte Energie (beispielsweise die dem Antrieb und gegebenenfalls auch der Verdrängereinheit zugeführte elektrische Energie) zugeführt. Die diskreten Eingangsgrößen können beispielsweise bei Nutzung eines Fuzzyalgorithmus aufgrund einer Zugehörigkeitsfunktion einer Fuzzymenge mit einem gewissen Grad zugeordnet werden. Die Operationen (Fuzzyregeln) der Fuzzylogik sind insbesondere so eingerichtet, dass ein gegebenenfalls als Führungswert bezeichneter Wert für einen Zyklus optimiert wird. Die Operationen der Fuzzylogik sind insbesondere so eingerichtet, dass die von der Fuzzylogik ausgegebenen Ausgangsgrößen zu einer Optimierung des Energieverbrauchs und/oder zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines Zyklus führen.
  • Bei Ausbildung des wissensbasierten Entscheidungssystems als Fuzzylogik beruhen sowohl die Zuordnung der Eingangsgrößen zu der Fuzzymenge als auch die Fuzzyregeln der Fuzzylogik auf Expertenwissen, welches insbesondere von Komponentenwissen, Simulationen, Erfahrungswerten und Experimenten hergeleitet wurde. Fuzzylogik ist als solche hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nicht weiter auf die konkrete Einrichtung der Fuzzylogik eingegangen wird.
  • Die Verdrängereinheit wird bevorzugt als Motor bzw. als Verdrängerpumpe betrieben. Die in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbare Verdrängereinheit kann beispielsweise als Radialkolben- oder Axialkolbenmaschine ausgebildet sein. Der drehzahlvariable Antrieb ist in der Regel ein Elektromotor.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden im Folgenden anhand der Figur beispielhaft erläutert.
  • In der Figur ist ein hydraulisches System dargestellt, welches einen Aktor 1, eine in ihrem Arbeitsvolumen verstellbare Verdrängereinheit 2 und einen, die Verdrängereinheit 2 antreibenden drehzahlvariablen Antrieb 3 umfasst. Über die Einstellung eines Drehzahlsollwerts des Antriebs 3 und über die Einstellung des Verdrängungsvolumens der Verdrängereinheit 2 kann die zu dem Aktor 1 zu fördernde Druckmittelmenge eingestellt werden.
  • Das hydraulische System umfasst zudem eine Regelung. So ist ein geschlossener Regelkreis 6 vorgesehen, der ein Wegmesssystem für den Aktor 1 umfasst. Der geschlossene Regelkreis 6 umfasst zudem einen Regler 7, mittels dem das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit 2 eingestellt wird.
  • Die Regelung umfasst zudem ein wissensbasiertes Entscheidungssystem 5, dessen Ausgangsgrößen an eine Vorsteuerung 8 übergeben werden. Als Eingangsgrößen erhält das wissensbasierte Entscheidungssystem 5 zudem die Prozessparameter, wie Drehzahl, Verdrängungsvolumen und Energieverbrauch des Antriebs 3. Im konkret dargestellten Ausführungsbeispiel ist das wissensbasierte Entscheidungssystem 5 als Fuzzylogik/-algorithmus ausgebildet. Alternativ kann das wissensbasierte Entscheidungssystem 5 als Neuronales Netz ausgebildet sein.
  • Dem hydraulischen System wird ein Größen-Profil 4 (beispielsweise ein Kraftprofil und/oder ein Positionsprofil) vorgegeben, welches von dem Aktor 1 zyklisch durchfahren werden soll. Das Größen-Profil 4 wird sowohl dem Regler 7 als auch der Vorsteuerung 8 zugeführt.
  • Die in einem Identifikationszyklus erfassten Prozessgrößen werden dem wissensbasierten Entscheidungssystem 5 zugeführt, wobei diese Eingangsgrößen bei Ausbildung des das wissensbasierte Entscheidungssystem als Fuzzylogik Fuzzymengen 9 mit einem Grad ihrer Zugehörigkeit zugeordnet werden. Auf Basis der so festgelegten Fuzzymengen 9 wird eine Operation (Fuzzyregeln 10) durchgeführt, aus der diskrete Ausgangsgrößen 11 resultieren. Diese Ausgangsgrößen 11 werden der Vorsteuerung 8 zugeführt, wobei der Wert für die Drehzahl des Antriebs 3 dem Antrieb 3 als Stellgröße zugeführt wird. Der Wert für die Änderung des Verdrängungsvolumens wird der Stellgröße des Reglers 7 zur Einstellung des Verdrängungsvolumens zugeführt.
  • Die Zuordnung der Eingangsgrößen zu den Fuzzymengen 9 und die Fuzzyregeln 10 sind aufgrund von Expertenwissen derart eingerichtet, dass auf Basis der während eines Zyklus erfassten Eingangswerte die Drehzahl und/oder das Verdrängungsvolumen für den nächsten Zyklus dahingehend optimiert werden, dass ein möglichst geringer Energieverbrauch vorliegt und/oder das dynamische Verhalten bei kritischen Vorgängen im Zyklus verbessert wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Aktor
    2
    Verdrängereinheit
    3
    Antrieb
    4
    Größen-Profil
    5
    Wissensbasiertes Entscheidungssystem
    6
    geschlossener Regelkreis
    7
    Regler
    8
    Vorsteuerung
    9
    Fuzzymengen
    10
    Fuzzyregeln
    11
    Ausgangsgröße

Claims (14)

  1. Verfahren zur Einstellung einer Druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen Aktor (1), wobei
    - der Aktor (1) von einer in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbaren Verdrängereinheit (2) mit einem Druckmittel versorgt wird,
    - die Verdrängereinheit (2) von einem drehzahlvariablen Antrieb (3) angetrieben wird und
    - eine dem Aktor zuzuführende Druckmittelmenge durch ein Größen-Profil (4) vorgegeben wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Drehzahlsollwert des Antriebs (3) und/oder ein Sollwert für das Verdrängungsvolumen der Verdrängereinheit (2) unter Berücksichtigung eines wissensbasierten Entscheidungssystems eingestellt wird, wobei das Größen-Profil (4) dem wissensbasierten Entscheidungssystem als Eingangsgröße zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einstellung des Verdrängungsvolumens in einem geschlossenen Regelkreis (6) erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine diskrete Ausgangsgröße (11) oder ein diskreter Ausgangsgrößensatz (11) des wissensbasierten Entscheidungssystems als Vorsteuergröße der Stellgröße zur Einstellung des Verdrängungsvolumens zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine diskrete Ausgangsgröße (11) oder ein diskreter Ausgangsgrößensatz (11) des wissensbasierten Entscheidungssystems als Stellgröße zur Einstellung der Drehzahl des Antriebs verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Zyklusparameter dem wissensbasierten Entscheidungssystem als Eingangsgröße zugeführt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem als Fuzzylogik ausgebildet ist und die Eingangsgrößen nach einer Evaluierung als Fuzzymenge Fuzzyregeln (9) zugeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem zur Optimierung eines Zyklus eingerichtet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der optimierte Zyklus durch einen minimalen Energieverbrauch vorgegeben ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem als Fuzzylogik oder als Neuronales Netz ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem als Fuzzylogik ausgebildet ist und zur Einrichtung von Fuzzyregeln der Fuzzylogik auf Expertenwissen zurückgegriffen wird.
  11. Hydraulisches System, umfassend
    - mindestens einen hydraulischen Aktor (1),
    - eine in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbare Verdrängereinheit (2), die den Aktor (1) mit einem Druckmittel versorgt,
    - einen drehzahlvariablen Antrieb (3), der die Verdrängereinheit (2) antreibt, und
    - eine Regelung zur Einstellung des Verdrängungsvolumens der Verdrängereinheit (2) und der Drehzahl des Antriebs,
    wobei
    die Regelung ein wissensbasiertes Entscheidungssystem (5) umfasst und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  12. Hydraulisches System nach Anspruch 11, wobei zur Einstellung des Verdrängungsvolumens ein geschlossener Regelkreis (6) ausgebildet ist.
  13. Hydraulisches System nach Anspruch 11 oder 12, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem (5) zur Bereitstellung einer Stellgröße zur Einstellung der Drehzahl des Antriebs (3) eingerichtet ist.
  14. Hydraulisches System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das wissensbasierte Entscheidungssystem (5) zur Bereitstellung einer Vorsteuergröße der Stellgröße zur Einstellung des Verdrängungsvolumens eingerichtet ist.
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