ES2712559T3

ES2712559T3 - Sistema de medio presurizado

Info

Publication number: ES2712559T3
Application number: ES12187900T
Authority: ES
Inventors: Ari Sipola; Hannu-Pekka Vihtanen; Matti Linjama; Arto Laamanen
Original assignee: NORRHYDRO Oy
Current assignee: NORRHYDRO Oy
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2019-05-13
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: EP2344772A1; CN102245906B; ZA201102629B; AU2009300985A1; PL2344772T3; RU2013156857A; AU2009300985B2; CN102245906A; WO2010040890A1; US9021798B2; PL2546530T3; EP2546530B1; BRPI0919571B1; CA2740041A1; US20110259187A1; RU2509233C2; RU2647932C2; EP2546530A3; HK1160674A1; ES2720179T3

Abstract

Un sistema de medio presurizado, que comprende: - al menos un accionador (23) o unidad accionadora configurados para generar sumas 5 de fuerzas (Fcyl) efectivas sobre una carga; - al menos dos cámaras de trabajo que funcionan por el principio de desplazamiento y ubicadas en dicho accionador o unidad accionadora, las al menos dos cámaras de trabajo incluyen al menos dos cámaras de trabajo predeterminadas (19, 20, 21, 22); - al menos un circuito de carga de una presión más alta (AP, AP1, APi), que es una fuente de energía hidráulica que puede producir y recibir un flujo volumétrico a un primer nivel de presión predeterminado; - al menos un circuito de carga de una presión más baja (BP, BP1, BPi), que es una fuente de energía hidráulica que puede producir y recibir un flujo volumétrico a un segundo nivel de presión predeterminado; y - un circuito de control (40) configurado para acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (AP, AP1, APi) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más baja (BP, BP1, BPi) por turnos a cada cámara de trabajo predeterminada (19, 20, 21, 22); - al menos un controlador (24) para control de dichas sumas de fuerzas generadas por dicho accionador o unidad accionadora; caracterizado por que: - el circuito de control (40) comprende, para cada cámara de trabajo predeterminada (19, 20, 21, 22), una primera interfaz de control controlable (9, 11, 13, 15) configurada para abrir y cerrar una primera conexión al circuito de carga de una presión más alta (AP, AP1, APi), y una segunda interfaz de control controlable separada (10, 12, 14, 16) configurada para abrir y cerrar una segunda conexión al circuito de carga de una presión más baja (BP, BP1, BPi); - en donde la primera interfaz de control controlable y la segunda interfaz controlable comprenden, cada una, una válvula de cierre controlada en activación/desactivación o varias válvulas de cierre controladas en activación/desactivación conectadas en paralelo; - en donde cada cámara de trabajo predeterminada (10, 20, 21, 22) puede generar componentes de fuerza (FA, FB, FC, FD) que corresponden al primer nivel de presión predeterminado y el segundo nivel de presión predeterminado del al menos un circuito de carga de una presión más alta (AP, AP1, APi) y el al menos un circuito de carga de una presión más baja (BP, BP1, BPi) para acoplarse a cada cámara de trabajo predeterminada; y - en donde cada componente de fuerza se configura para generar al menos una de dichas sumas de fuerzas en combinación con las componentes de fuerza generadas por las otras cámaras de trabajo predeterminadas; - en donde dicho controlador se configura para controlar dicho circuito de control (40) sobre la base de una entrada que es un valor de pauta (31) para una suma de fuerzas a generar, aceleración de la carga, velocidad de la carga o posición de la carga; y - en donde dicho al menos un controlador se configura además para controlar, en cada momento de tiempo, las interfaces de control controlables primera y segunda de dicho circuito de control (40) de tal manera que las componentes de fuerza generadas generan una de dichas sumas de fuerzas correspondientes o relacionadas de cerca con dicho valor de pauta (31).

Description

Descripcion

Sistema de medio presurizado

Campo de la Invencion

La presente invencion esta relacionada con un sistema de medio presurizado.

Antecedentes de la Invencion

En sistemas de medio presurizado, se controla una carga usando accionadores con camaras de trabajo que tienen un area efectiva, sobre la que la presion del medio presurizado es efectiva y provoca una fuerza que es, por medio del accionador, efectiva sobre la carga. La magnitud de la fuerza es dependiente tanto del area efectiva presurizada y la presion que es, en sistemas convencionales de medio presurizado, controlada para producir fuerzas variables. Ejemplos tlpicos incluyen la trasferencia, elevacion y bajada de una carga, y la carga puede, en su forma flsica, variar de un sistema a otro, siendo, por ejemplo, una parte de una estructura, un aparato o un sistema, a mover. El control de presion se basa normalmente en ajuste con una perdida, en soluciones convencionales controladas por resistencia, el control de fuerza del accionador se logra al controlar las presiones de las camaras de trabajo de manera continua. Asl, las presiones son controladas al estrangular los flujos del medio presurizado que entra y sale de la camara. El control se implementa, por ejemplo, por medio de valvulas proporcionales.

Tlpicamente, los sistemas convencionales tienen un lado de presion, donde se ajusta la presion y que produce un flujo volumetrico del medio presurizado, y un lado de retorno, que puede recibir el flujo volumetrico y en el que el nivel de presion predominante es tan bajo como sea posible, llamada presion de tanque, para minimizar perdidas. Medios presurizados conocidos incluyen, por ejemplo, aceite hidraulico, aire comprimido y agua o fluidos hidraulicos a base de agua. El tipo del medio presurizado no esta limitado, pero puede variar segun las necesidades de la aplicacion y los requisitos establecidos.

Las publicaciones US-5011180-A1, US-2007/0120662-A1, US-2005/194225-A1, WO-2005/121564-A1 y DE-3836371-A1 describen sistemas hidraulicos que aplican accionadores que tienen varias camaras de trabajo y circuitos que tienen presiones diferentes.

Problemas con sistemas convencionales incluyen la susceptibilidad a fallos y perdidas de energla, particularmente perdidas de energla hidraulica y fallos en las valvulas de control.

Compendio de la Invencion

Una intencion de la presente invencion es introducir una nueva solucion para implementar un sistema de medio presurizado, que tambien ofrezca ahorros energeticos significativos comparados con la mayorla de sistemas actualmente en uso.

La invencion esta relacionada con una solucion de sistema hidraulico digital basada en un metodo de control sin estrangulacion, dispositivos que son aplicables en el sistema hidraulico digital, que incluye, por ejemplo, una unidad convertidora de presion, una unidad convertidora de presion de bomba, asl como metodos, circuitos de control y controladores a aplicar para controlar estos.

El sistema de medio presurizado segun la invencion se presentara en la reivindicacion 1. El preambulo de la reivindicacion 1 muestra los rasgos conocidos a partir de las publicaciones US-2005/194225-A1, WO-2005/121564-A1 y DE-3836371-A1.

La solucion de sistema se configura ya sea para controlar la fuerza, aceleracion, velocidad o posicion generadas por el accionador impulsado por el medio presurizado, o para controlar la aceleracion, momento, aceleracion rotatoria, velocidad angular, posicion y rotacion de la fuerza generada por la aplicacion de dispositivo que comprende varios accionadores. Adicionalmente, o como alternativa, la solucion de sistema se proporciona para el control de una o mas unidades de carga de energla. Adicionalmente, o como alternativa, la solucion de sistema se proporciona para el control de una o mas unidades convertidoras de presion y las respectivas relaciones de conversion. Adicionalmente, o como alternativa, la solucion de sistema se proporciona para el control de una o mas unidades convertidoras de energla, particularmente unidades convertidoras de presion de bomba y las respectivas relaciones de conversion.

Se proporciona una solucion novedosa de sistema hidraulico digital basado en un metodo de control sin estrangulacion, asl como los dispositivos a aplicar en el. Un rasgo importante del sistema hidraulico digital es la recuperacion de energla cinetica o potencial que vuelve durante los movimientos de trabajo del accionador, a los circuitos de carga.

El circuito de medio presurizado que se aplica en el sistema hidraulico digital y que tambien se llamara sistema de carga mas adelante en esta memoria, comprende dos o mas circuitos de presion que tiene diferentes niveles de presion y tambien se llaman circuitos de carga. Cada circuito de carga tlpicamente comprende una o mas ilneas de medio presurizado conectadas entre si y que tienen la misma presion. En la siguiente descripcion, en aras de simplicidad, el enfoque sera principalmente en una solucion de sistema que comprende dos circuitos de carga. Un experto en la tecnica tambien puede aplicar facilmente los principios presentados a una solucion de sistema que comprende tres o mas circuitos de carga.

Los presentes ejemplos trataran un circuito de carga a alta presion y un circuito de carga a baja presion, que no se refieren a ningun nivel especlfico de presion absoluta sino principalmente a la diferencia en la presion de dichos circuitos de carga. Los niveles de presion se seleccionan para que sean adecuados para cada aplicacion. Si la solucion de sistema comprende varios circuitos de carga a alta presion o circuitos de carga a baja presion, es preferible que tambien en este caso los niveles de presion de los circuitos de carga difieran entre si.

Cuando se trate un circuito de carga a alta presion, tambien es usaran las designaciones AP, llnea de AP o conexion de AP; y cuando se trate un circuito de carga a baja presion, tambien se usaran las designaciones BP, llnea de BP o conexion de BP. La energla necesaria por los circuitos de carga es suministrada por una o mas unidades de carga. En un ejemplo, la energla se suministra al circuito de carga por medio de uno o mas convertidores de presion desde uno o mas otros circuitos de carga.

El sistema presentado, que comprende dos o mas circuitos de carga puede suministrar energla y que usa accionadores hidraulicos digitales basados en un metodo de control sin estrangulacion, se llama sistema hidraulico digital de baja resistencia (LRDHS, low resistance digital hydraulic system). La energla a suministrar desde uno o mas circuitos de carga de un nivel de presion mas bajo (BP) es a menudo una parte sustancial de la energla a utilizar en el sistema, y de ese modo los niveles de presion de los circuitos de carga de un nivel de presion mas bajo tienen un efecto significativo en la production de energla, controlabilidad y consumo energetico de los accionadores. Es caracterlstico de cada circuito de carga que puede generar la presion requerida y alimentar y recibir un flujo volumetrico. Preferiblemente, los niveles de presion de los diferentes circuitos de carga estan graduados uniformemente entre si.

Una unidad de carga se refiere a un circuito de medio presurizado que lleva energla a los circuitos de carga del sistema de carga desde el exterior del sistema de carga, por medio de una unidad de bomba. La unidad de carga comprende una unidad de bomba as! como sistema de valvula de control y seguridad, por medio del que la llnea de suction y la llnea de presion de la unidad de bomba se pueden conectar a cualquier circuito de carga. Preferiblemente, la llnea de succion y la llnea de presion tambien se pueden acoplar a un tanque de medio presurizado.

Normalmente, una o mas unidades de carga de energla de una presion mas alta nivel se conectan a un circuito de carga de AP, y de manera correspondiente, una o mas unidades de carga de energla de un nivel de presion mas bajo se conectan a un circuito de carga de BP. La unidad de carga es, por ejemplo, un acumulador hidraulico u otro acumulador de energla que utiliza, por ejemplo, una carga por resorte o gravedad efectivas sobre la carga, esto es, energla potencial. Como unidad de carga de energla se puede usar un acumulador de energla potencial y un accionador hidraulico digital conectado a ella. El principio de funcionamiento del accionador hidraulico digital se explicara adicionalmente mas adelante en esta descripcion.

Como convertidores de presion se pueden usar accionadores hidraulicos digitales acoplados entre si, por medio de los que es posible trasferencia de energla entre diferentes circuitos de carga sin un consumo energetico significativo. Dichas unidades digitales convertidoras de presion (DPCU, digital pressure converter units) tambien se pueden utilizar cuando un accionador en funcionamiento ininterrumpido se acopla al circuito de carga. En la unidad convertidora de presion, la trasferencia de energla se basa en utilizar las areas efectivas de los accionadores y en el metodo de control sin estrangulacion.

Al acoplar la unidad convertidora de presion a una fuente de energla externa que mueve una parte movible de la unidad convertidora de presion, se puede usar dicha unidad digital convertidora de presion de bomba (DPCPU) para suministrar energla a los circuitos de carga cuando la energla cinetica es convertida por medio de dichos accionadores a energla hidraulica, esto es, a la presion y flujo volumetrico del medio presurizado.

Un accionador digital se refiere particularmente a un cilindro que tiene areas efectivas codificadas de manera binaria u otra, dichas areas se conectan a los circuitos de carga usando diferentes combinaciones de acoplamiento y el control sin estrangulacion. Tlpicamente, hay en cuestion control de fuerza o ajuste de fuerza.

Un impulsor giratorio hidraulico digital que aplica el sistema de medio presurizado comprende uno o mas accionadores que tienen una o mas camaras y se basa en un control sin estrangulacion, dichos accionadores, junto con una o mas cremalleras de engranaje y ruedas dentadas acopladas a uno o mas accionadores transforman el movimiento lineal a un movimiento pivotante limitado. Tlpicamente, hay en cuestion control de momento o ajuste de momento.

Un impulsor rotatorio hidraulico digital que aplica el sistema de medio presurizado comprende dos o mas accionadores que tienen una o mas camaras y se basa en el control sin estrangulacion y se acopla mecanicamente a un zarandeador. Tipicamente es control de momento o ajuste de momento logrado por medio del control de fuerza de los accionadores.

El sistema hace posible conectar dos o mas circuitos de carga que tienen diferentes niveles de presion, por medio de interfaces de control a uno o mas accionadores hidraulicos digitales. La unidad accionadora formada por uno o mas accionadores se usa asi ya sea como accionador para mover una carga, como unidad convertidora de presion, unidad convertidora de presion de bomba, bomba, o simultaneamente una combinacion de cualquiera del dispositivos mencionados anteriormente. Accionadores y unidades accionadoras se pueden acoplar a una carga y entre si ya sea fisica o hidraulicamente, dependiendo de la aplicacion.

Las ventajas y las diferencias tecnicas del sistema comparado con soluciones convencionales son claramente mejor eficiencia energetica, controlabilidad, simplicidad de los componentes y la construccion, modularidad, y el control de fallos. En soluciones convencionales controladas por resistencia, el control de fuerza del accionador se logra mediante ajuste continuo de las presiones de las camaras de trabajo. Asi, las presiones se ajustan al estrangular los flujos de medio que entran y salen de la camara de trabajo. El presente sistema, en cambio, comprende una manera alternativa de controlar el accionador que funciona con significativamente pocos estranguladores y con valvulas simples y una estructura de sistema simple y basado en ajuste de fuerza, usando unicamente niveles de presion discretos dados, predeterminados pero ajustables (por ejemplo, circuitos de carga AP y BP). El control de fuerza se logra al ajustar la fuerza gradualmente utilizando circuitos de carga con niveles de presion uniformemente graduados y las areas efectivas de los accionadores acoplados a ellos. El metodo de control presentado, en combinacion con el accionador o unidad accionadora equipados con areas efectivas codificadas, por ejemplo, de manera binaria u otra, permite un consumo energetico significativamente mas bajo comparado con metodos de control convencionales. El sistema tambien permite velocidades maximas altas y es muy preciso para controlar y para posicionar.

En control convencional de estrangulacion proporcional, la velocidad de un mecanismo conectado al accionador se ajusta de manera directamente proporcional al area en seccion transversal de la abertura del miembro regulador de estrangulacion, en donde errores al ajustar el miembro regulador se reflejan directamente en la velocidad del mecanismo a ajustar. En soluciones convencionales, un factor significativo para determinar y limitar la precision de regulacion es la optimizacion del miembro regulador segun la aplicacion.

En ajuste de estrangulacion digital, se pueden reducir imprecisiones en el ajuste de la velocidad del accionador usando varias valvulas de activacion/desactivacion conectadas en paralelo como miembro regulador, en donde, con una diferencia de presion dada, ciertos controles (llamado punto de consigna, o valor de control) de las valvulas de activacion/desactivacion se logran usando ciertos valores de velocidad discretos que estan, con una alta probabilidad, cerca de valores previstos. Asi, una curva de respuesta a posicion recibe ciertos coeficientes angulares, ya que la velocidad recibe ciertos valores discretos. El error en la velocidad lograda y la aspereza de la angularidad de la curva de respuesta a posicion dependera de la resolucion del ajuste de velocidad, esto es, el numero de aberturas disponibles y de ese modo las valvulas.

En el sistema digital presentado basado en un control sin estrangulacion y que tiene un ajuste de aceleracion, la aceleracion de un mecanismo acoplado al accionador es controlada en proportion a la production de fuerza del accionador que, a su vez, es controlado al conectar cada circuito de carga y de ese modo tambien cada nivel de presion disponible a las areas efectivas disponibles de tal manera que la produccion de fuerza requerida se realiza de la mejor manera.

El ajuste de velocidad se logra por medio de una retroalimentacion de velocidad, y la curva de respuesta de velocidad recibe ciertos coeficientes angulares cuando la aceleracion recibe ciertos valores discretos. La aspereza de la angularidad de la curva de respuesta de velocidad dependera de la resolucion del ajuste de aceleracion. Asi, la curva de respuesta a posicion sera matematicamente un grado mas controlado cuando se compara con control de velocidad directo mediante estrangulacion.

En el sistema presentado, teoricamente se puede lograr cualquier valor de velocidad, quedando el error de velocidad muy pequeno. Los factores que limitan la resolucion del ajuste de velocidad son asi la resolucion del control de aceleracion, el periodo de muestreo del sistema de control, los tiempos de respuesta de las interfaces de control, el tiempo tomado para cambios de estado de las camaras de trabajo, y la precision de medicion de los sensores. La resolucion del ajuste de aceleracion dependera del numero de camaras de trabajo disponibles y la codification de sus areas, asi como el numero de circuitos de carga a conectar a la camara de trabajo y que tiene diferentes niveles de presion, asi como los niveles de presion de los circuitos de carga y las relaciones y diferencias entre los niveles de presion de los circuitos de carga. Por otro lado, cualquier imprecision en la estrangulacion del miembro regulador, provocada por ejemplo por variation en la presion o fuerza de carga, y cualquier error de ajuste provocado por esto no ocurriran en la presente metodo de control hidraulico digital. En este sentido, el sistema tiene, en todas circunstancias, excelente controlabilidad y manejabilidad comparado con sistemas convencionales que son controlados mediante estrangulacion.

Cuando el sistema comprende varios accionadores separados que tienen un efecto en la misma pieza o en el mismo punto de impacto o diferentes puntos de impacto en la misma pieza, ya sea desde la misma direccion o desde direcciones diferentes, la fuerza producida por cada accionador puede ser controlada ya sea por separado, independientemente una de otra, o que tiene un efecto de una en otra, para obtener una direccion o magnitud deseadas de la suma de fuerzas, es decir, la fuerza total, generadas por las accionadores. Dicha suma de fuerzas es efectiva en la pieza que actua como carga, y provoca una aceleracion, una deceleracion, o la cancelacion de la fuerza de carga. Para hacer que dicha suma de fuerzas tenga una magnitud y direccion deseadas, el sistema de control tiene que escalar el control de la fuerza de los accionadores sobre la base de una variable o variables medidas del sistema o determinado de otra manera.

Los usos del sistema pueden variar casi sin llmites, pero aplicaciones tlpicas de accionadores hidraulicos digitales incluyen diversas aplicaciones de girar, rotar, elevar, bajar, trasmision de fuerza de impulsion y compensacion de movimiento, tal como, por ejemplo, compensacion de crecida marina. El sistema es mas adecuado para usos en los que hay masas inerciales relativamente significativas a acelerar y decelerar en relacion a la production de fuerza del accionador, en donde se pueden lograr considerables ahorros energeticos. El sistema tambien es muy adecuado para usos en los que se tienen que controlar varios accionadores, que actuan simultaneamente en niveles de cargas variables.

Usos del presente sistema tambien pueden incluir aplicaciones en las que el accionador se usa para generar una fuerza de sostenimiento de tal manera que se hace que el accionador reaccione a estlmulos externos o como alternativa los resista, esto es, tiende a generar una fuerza contraria de una magnitud correspondiente y de ese modo para mantener estacionaria la parte movible. El numero de accionadores a usar en el mismo sistema puede variar, as! como el numero de accionadores a conectar a la misma parte de la misma pieza o mecanismo. En particular, el numero de accionadores conectados desde la misma pieza o parte (por ejemplo, bastidor de maquina) a la misma pieza o parte (por ejemplo, una pluma o un brazo de elevation) es significativo en vista de las propiedades de control, consumo energetico y el control optimo de los fallos de la unidad accionadora formada entre dichas piezas.

Breve description de los dibujos

La invention se describira mas en detalle por medio de algunos ejemplos y con referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra un sistema segun un ejemplo de la invencion, que utiliza un accionador que es un cilindro que comprende cuatro camaras de trabajo e impulsado por medio presurizado.

La figura 2 muestra una tabla de estados para ser usada para controlar el sistema mostrado en la figura. La figura 3 muestra los grados de fuerza generados por el sistema mostrado en la figura 1.

La figura 4 muestra la funcionalidad de los coeficientes de ajuste del control del sistema.

La figura 5 muestra un controlador para uso para controlar el sistema.

La figura 6 muestra un controlador alternativo para uso para controlar el sistema.

La figura 7 muestra otro controlador alternativo para uso para controlar el sistema.

La figura 8 muestra el funcionamiento de un convertidor de control para uso en el control del sistema.

La figura 9 muestra un dispositivo giratorio que aplica el sistema.

La figura 10 muestra una motobomba excentrica que aplica el sistema.

La figura 11 muestra un sistema segun otro ejemplo de la invencion.

La figura 12 muestra el principio de funcionamiento de un convertidor de presion de bomba.

Las figuras 13a-13d muestran accionadores para uso en el sistema de la figura 11.

La figura 14 muestra un convertidor de presion de bomba segun un ejemplo, que comprende cuatro camaras. La figura 15 muestra un convertidor de presion segun un ejemplo, que comprende cuatro camaras.

La figura 16 muestra un convertidor de presion segun un ejemplo, que comprende cuatro camaras y que es controlado por circuitos de control.

La figura 17 muestra un convertidor de presion de bomba segun un ejemplo, que comprende ocho camaras y que es controlado por una conexion cruzada.

La figura 18 muestra un convertidor de presion de bomba segun un ejemplo, que comprende ocho camaras y que es controlado por un circuito de control.

DESCRIPCION MAS DETALLADA DE LA INVENCION

Interfaz de control

La entrada y el retorno de medio presurizado hacia y desde el accionador son controlados por medio de interfaces de control. El accionador comprende una o mas camaras de trabajo que funcionan con el principio de desplazamiento. Cada interfaz de control tiene una o mas valvulas de control conectadas en paralelo. Las valvulas de control son preferiblemente valvulas de cierre rapido con una perdida de presion considerablemente baja, por ejemplo valvulas de activacion/desactivacion controladas electricamente, y si las valvulas estan en paralelo en la misma llnea, juntas determinaran el flujo volumetrico en la llnea. Dependiendo del control, cada camara de trabajo del accionador se cierra o se conecta por separado por medio de las interfaces de control a un circuito de carga, por ejemplo un circuito de carga de AP o un circuito de carga de BP en un sistema de presion dual. Un metodo de control de este tipo, en el que las interfaces de control que llevan a la camara de trabajo del accionador y que comprende una o mas valvulas que estan siempre completamente abiertas o cerradas, se llama, en esta descripcion, un metodo de control sin estrangulacion.

Las interfaces de control funcionan de tal manera que la valvula, o todas las valvulas en paralelo, de la interfaz de control son controladas para estar abiertas o cerradas. El control de la interfaz de control puede as! ser binario, en donde la configuracion es uno (interfaz de control abierta, activa) o cero (interfaz de control cerrada, inactiva). La serial de control electrica necesaria para la valvula se puede generar sobre la base de la configuracion.

Accionador hidraulico digital

El funcionamiento del sistema de control del accionador digital requiere que el sistema comprenda al menos un accionador con al menos una camara de trabajo. La componente de fuerza generada por la camara de trabajo se basa en el area efectiva de la camara de trabajo y en la presion efectiva en la camara de trabajo. La magnitud de la suma de fuerzas generada por el accionador es el producto calculado de dichos factores. En esta realizacion, preferiblemente, la fuerza de carga de la carga controlada por el accionador, esto es, la fuerza efectiva sobre el accionador, es mas fuerte en magnitud que la componente de fuerza opuesta generada por la presion del circuito de carga de BP en el accionador, y mas pequena en magnitud que la componente de fuerza opuesta generada por la presion del circuito de carga de AP en el accionador, para lograr un control de fuerza con al menos dos niveles para controlar la carga.

En una realizacion, el sistema comprende al menos un accionador con al menos dos camaras de trabajo, cuyas areas efectivas difieren entre si de modo que se logra un control de fuerza con al menos 4 niveles en un sistema de presion dual. Las componentes de fuerza generadas por las diferentes camaras de trabajo son efectivas ya sea en la misma direccion o en direcciones diferentes, dependiendo del sistema y del comportamiento de la carga a controlar. Cada camara de trabajo puede generar dos componentes de fuerza desiguales. En un sistema que comprende dos niveles de presion, la relacion entre las areas es preferiblemente 1:2, para lograr un control de fuerza de niveles de etapa uniformes. Un sistema correspondiente se logra mediante dos accionadores de unica camara que satisfacen, por ejemplo, la relacion 1:2 entre las areas. Se obtienen mas niveles de fuerza, por ejemplo, al aumentar el numero de camaras de trabajo, ya sea en el mismo accionador o anadiendo accionadores separados y conectandolos a la misma carga.

Tambien se obtienen mas niveles de fuerza al aumentar el numero de circuitos de carga con diferentes niveles de presion acoplados al accionador. En este caso, el numero de componentes de fuerza y simultaneamente niveles de fuerza producidos por el accionador es una funcion de energla, en la que el numero de base es el numero de circuitos de carga con diferentes niveles de presion conectados al accionador, y el Indice es el numero de camaras de trabajo en el accionador. Preferiblemente, las areas efectivas de las camaras de trabajo difieren entre si, y los niveles de presion de los circuitos de carga conectados al accionador difieren entre si.

Tambien preferiblemente, las relaciones entre las areas efectivas de las camaras de trabajo siguen una serie MN, en la que el numero de base M es el numero de circuitos de carga a conectar al accionador, y N es un grupo de numeros naturales (0, 1, 2, 3,...n), cuando tambien los niveles de presion de los circuitos de carga que se pueden acoplar a ellos estan graduados uniformemente, para lograr un control de fuerza graduado uniformemente, cuando las areas efectivas se acoplan ya sea al circuito de carga de AP o al circuito de carga de BP, o a otros circuitos de carga utilizando diversas combinaciones de conexion.

Particularmente en un sistema que comprende dos circuitos de carga (un circuito de carga de AP y un circuito de carga de BP), las relaciones entre las areas efectivas de las camaras de trabajo preferiblemente siguen la serie MN, en la que el numero de base M es 2 y el Indice N es el grupo de numeros naturales (0, 1, 2, 3,...n); esto es, la serie 1, 2, 4, 8, 16, etc. formada por los coeficientes de ponderacion de bits en el sistema binario, para lograr un control de fuerza graduado uniformemente, cuando se acoplan areas efectivas ya sea al circuito de carga de AP o el circuito de carga de BP, utilizando diversas combinaciones de acoplamiento.

Graduado uniformemente significa que la etapa desde un nivel de fuerza al siguiente o desde un nivel de presion al siguiente tiene una magnitud constante. Los niveles de fuerza se forman como diversas combinaciones de varias componentes de fuerza generadas en el accionador, que constituyen una suma de fuerzas. Las relaciones entre las areas tambien puede seguir una serie diferente, por ejemplo la serie 1, 1, 3, 6, 12, 24, etc., o una serie segun los metodos de codificacion Fibonacci o PNM. Al aumentar areas iguales o, por ejemplo, areas diferentes de la serie binaria, es posible obtener mas niveles de fuerza, pero al mismo tiempo, tambien se obtienen estados redundantes que no aumentan nuevos niveles de fuerza pero la misma suma de fuerzas del accionador se logra mediante dos o mas combinaciones de acoplamiento de las interfaces de control.

El numero de combinaciones de acoplamiento se forma como funcion de energla de tal manera que el numero de base es el numero de diferentes niveles de presion para acoplarse a las camaras de trabajo, y el Indice es el numero total de camaras de trabajo. El sistema comprende al menos un accionador que es efectivo sobre la carga. Cuando en un sistema de presion dual se usan dos accionadores con 4 camaras, el numero de estados y combinaciones de acoplamiento del sistema aumenta a la cifra de 28 = 256, porque el numero total de camaras de trabajo es 8. Si dos o mas accionadores identicos se acoplan para ser efectivos sobre el mismo punto de accion en la carga, los estados del sistema son, para la mayor parte, redundantes relativamente entre si. Dichos accionadores son efectivos sobre la carga del mismo sentido o desde sentidos opuestos, y las correspondientes camaras de trabajo de los accionadores identicos son iguales en tamano. Si los diferentes accionadores son efectivos en el mismo punto de accion desde direcciones diferentes, es posible ajustar la magnitud y direccion de la suma de fuerzas efectivas sobre la carga de una manera deseada. Si los diferentes accionadores se acoplan a diferentes puntos de accion en la carga, la magnitud y direccion de la suma de fuerzas efectivas sobre la carga as! como la magnitud y direccion del momento se pueden ajustar segun se desee.

Una realizacion compacta particular del sistema, que tiene suficientemente muchos niveles para el ajuste y que se puede aplicar de manera versatil, comprende un accionador con cuatro camaras de trabajo, las relaciones de sus areas efectivas siguen la serie binaria 1, 2, 4 y 8, en donde se logra un control de fuerza de 16 niveles, que se gradua uniformemente. El accionador tambien se configura de tal manera que las componentes de fuerza generadas por sus camaras de trabajo, que tienen el area efectiva mas grande y segunda area efectiva mas grande, son efectivas en la misma direccion. Las componentes de fuerza generadas por las otras camaras de trabajo son opuestas en direccion.

En este contexto, control de fuerza o control de momento o control de aceleracion se refieren al control de la fuerza o momento o aceleracion, porque, con ciertas combinaciones de acoplamiento de las interfaces de control, el sistema siempre produce una fuerza o momento dados, cuya consecucion no requiere un acoplamiento de retroalimentacion. Con un accionador cuya production de fuerza se puede seleccionar gradualmente, es facil implementar un control de aceleracion gradual, en el que la aceleracion es directamente proporcional a la llamada fuerza efectiva formada como suma de la suma de fuerzas generada por el accionador y las otras componentes de fuerza efectivas sobre la carga. En el control de aceleracion, el sistema necesitara, para la retroalimentacion, las magnitudes de la fuerza de carga que cargan el sistema y de la masa inercial de la carga, para concluir la suma de fuerzas producida, en la que la aceleracion de carga deseada se vuelve verdadera. De la manera mas facil, sin embargo, el sistema presentado se puede aplicar en tales aplicaciones en las que la masa inercial de la carga permanece aproximadamente constante, en donde los unicos datos que quedan para retroalimentacion son la fuerza de carga que carga el sistema.

El sistema controlado por aceleracion se puede expandir a un controlado por velocidad por medio de un acoplamiento de retroalimentacion de velocidad. El sistema controlado por velocidad se puede expandir ademas a uno controlado por position por medio de un acoplamiento de retroalimentacion de position.

Un requisito para la reproducibilidad a lograr con un valor de pauta dado que se selecciona aleatoriamente para aceleracion, aceleracion angular, velocidad, velocidad angular, posicion, o rotation, que con el valor cero (0) para el control relativo del sistema, la aceleracion del accionador debe ser aproximadamente cero. La aceleracion de la parte movil del accionador, controlado por fuerza con un valor de control constante discreto, es, sin embargo, fuertemente dependiente de la fuerza de carga que carga el accionador. En consecuencia, se debe anadir un termino al valor de control para compensar la fuerza de carga, y este termino se llama, en este documento, el punto cero de aceleracion del control. Con este valor de control, la aceleracion del accionador y simultaneamente de la carga se mantienen tan cerca de cero como sea posible. La generation del termino de compensation se implementa ya sea emplricamente, estimando el efecto de la fuerza de carga, por tabulation, aplicando ajuste de integration, por estimation a partir de datos de sensor.

Como el sistema puede producir unicamente valores discretos de control para las interfaces de control, no necesariamente es posible mantener la carga para que sea controlada por el sistema totalmente estacionario mediante cualquier control discreto dado, pero para esto, el estado del control del sistema tiene que ser cambiado repetidamente entre dos estados diferentes que producen aceleraciones opuestas. Los cambios de estado que tienen lugar en el accionador no son completamente sin perdidas, sino que se consume energla, entre otras cosas, debido a la compresibilidad del medio presurizado cuando se aumenta el nivel de presion en cualquier camara de trabajo. Por lo tanto, preferiblemente para mantener la carga y el respectivo mecanismo en el sitio, se desactivan todas las interfaces de control, de modo que el mecanismo se traba estacionario en un llamado estado de trabado. Es practico implementar esta funcion de tal manera que la prioridad del control del estado de trabado sea mayor que la del control de las interfaces de control, y que dichos controles no se afecten entre si. Cuando se activa el estado de trabado, se desactivan todas las interfaces de control, independientemente de cual hubiera sido la combination de acoplamiento de las interfaces de control en caso de que el estado de trabado estuviera activado.

Excluyendo el estado de trabado, los estados de los niveles de presion de las camaras de trabajo se pueden representar por los numeros cero (0), que se refiere a la presion mas baja (por ejemplo, conexion al circuito de carga de AP), y uno (1), que se refiere a la presion mas alta (por ejemplo, conexion al circuito de carga de BP). De esta manera, los estados de las camaras de trabajo se pueden expresar de manera desambigua mediante un unico numero binario en cada momento de tiempo, cuando, adicionalmente, a las camaras de trabajo siempre se les hace referenda en un orden predeterminado. El numero binario consiste en cuatro numerales, si hay 4 camaras de trabajo. En esta descripcion, control digital se refiere a un metodo de control, en el que se usan dos o mas niveles de presion, y el accionador o unidad accionadora que los utiliza tiene un numero limitado de niveles de fuerza discretos, cuyo numero se basa en el numero de camaras de trabajo y particularmente la combinaciones de diferentes niveles de presion conectados a las diferentes camaras de trabajo.

Como los estranguladores de los flujos de volumen son muy insignificantes, el sistema permite altas velocidades maximas, cuando la carrera de piston del accionador es larga. Las altas velocidades del piston del accionador requieren altos flujos de volumen entrando o saliendo de las camaras de trabajo del accionador, segun el principio de desplazamiento. Por esta razon, las valvulas de control deben pasar, si es necesario, dichos altos flujos de volumen para que sea posible introducir medio presurizado en la camara de trabajo en expansion a la velocidad necesaria desde el circuito de carga deseado sin la aparicion de cavitacion perturbadora.

Un accionador equipado con areas efectivas basado en la serie binaria es, al utilizar el llamado control sin estrangulacion, util en aplicaciones en las que la masa inercial de la carga reducida al accionador es grande. Asl, grandes cantidades de energla cinetica se vinculan a la carga durante aceleraciones y energla potencial en movimientos de elevacion, dicha energla se puede devolver, en conexion con deceleration o bajada de la carga, a cualquiera de los circuitos de carga y utilizarse de nuevo. Gracias al metodo de control sin estrangulacion y el uso de areas efectivas, esto es posible y tambien se puede implementar independientemente de la magnitud de la fuerza de carga estatica, siempre que el valor de la fuerza de carga estatica este dentro del intervalo de production de fuerza del accionador. El intervalo de produccion de fuerza se refiere aproximadamente al intervalo de produccion de fuerza restante entre los valores maximo y mlnimo de las fuerzas discretas que se pueden lograr en cada momento.

Los mayores beneficios del sistema se obtienen en movimientos grandes que vinculan y liberan fuerzas, por ejemplo en impulsores giratorios, en los que se necesita una fuerza o momento fuertes para acelerar una masa grande pero en los que se necesita una fuerza o momento muy debil durante movimiento estable, y se necesita un momento o fuerza de frenado fuerte en una fase de frenado. La ventaja es aqul que durante el movimiento estable, el sistema usa muy poca energla, y unicamente se tienen que compensar las perdidas de friction y viscosidad. El control se realiza seleccionando las areas efectivas adecuadas y la presion efectiva sobre ellas ya sea desde el circuito de AP o el circuito de BP para el uso. En consecuencia, asl se selecciona un nivel de fuerza adecuado para cada situation de control.

El sistema tambien ahorra energla de la misma manera en tales aplicaciones, por ejemplo en aplicaciones de elevacion o trasmisiones de impulsion (por ejemplo, impulsion arriba o abajo de una colina), en las que una fuerza o momento claramente diferentes de cero, se necesita una llamada fuerza de sostenimiento o momento de sostenimiento, para producir aceleracion cero de la carga. Asl, durante movimiento estable en una direction, se vincula energla a la carga o un mecanismo relacionado con ella, al llevar medio presurizado desde el circuito de carga de la presion mas alta nivel al accionador o unidad accionadora. Al mismo tiempo, se trasfiere energla al circuito de carga del nivel de presion mas bajo, al que se acopla la camara de trabajo en compresion del accionador. Cuando se mueve en sentido opuesto, se devuelve energla desde la carga o mecanismo al sistema, cuando vuelve medio presurizado desde el accionador a un circuito de carga. Asl, durante el movimiento estable, se pueden seleccionar las areas efectivas del accionador de modo que la suma de fuerzas generada por el accionador esta cerca de la fuerza de sostenimiento o momento de sostenimiento necesarios, pero de tal manera que el aporte de energla en el sistema cubre las perdidas de friccion y viscosidad.

Comparado con sistemas convencionales, el sistema presentado ahorra energla tambien en aplicaciones con perdidas, que pueden incluir, por ejemplo, movimientos con alta friccion, tales como la propulsion o traction de una pieza sobre superficies con friccion. En este caso, preferiblemente un control de este tipo y un area efectiva respectiva de este tipo se seleccionan para uso por cada accionador en diferentes situaciones, que vencen la fuerza de friccion o momento que resisten el movimiento y producen la velocidad cinetica deseada. Asl, cada accionador siempre se dimensiona optimamente en relation a las presiones de los circuitos de carga usados, en donde cada accionador consume tan poca energla como sea posible.

Debido a las perdidas por friccion y viscosas y perdidas en cambios de estado de las interfaces de control, todo el aporte energetico en el sistema no puede ser devuelto al circuito de carga.

El metodo para controlar el sistema realiza automaticamente tanta recogida de energla como sea posible cada vez que se libera energla cinetica o potencial desde la carga o el sistema mecanico relacionado con ella, por ejemplo durante las fases de frenado y/o bajada de la masa inercial. Asl, esas areas efectivas y camaras de trabajo que previamente generaron las componentes de fuerza que aceleran y/o elevan la masa inercial, contribuyen a la recogida de energla. Dichas camaras de trabajo se conectan por medio de la interfaz de control al circuito de carga, al que se devuelve o trasfiere energla.

Sistema de carga

En vista del funcionamiento y ahorros energeticos del sistema, es esencial que todos los circuitos de carga conectados al accionador hidraulico digital puedan suministrar y recibir flujo volumetrico sin cambiar radicalmente los niveles de presion de los circuitos de carga.

Por medio del sistema de carga, es posible trasferir energla entre dichas unidades de carga de energla cuando sea necesario. Si el ciclo de trabajo del sistema esta vinculado a energla (elevar una carga, por ejemplo un volumen, a un nivel mas alto), la energla requerida se introduce al sistema, por ejemplo, bombeando medio presurizado, por ejemplo, desde el circuito de BP al circuito de AP por medio de una unidad de bomba. Si el ciclo de trabajo es liberador de energla (bajando una carga, por ejemplo un volumen, a un nivel mas bajo), dicha energla puede ser convertida a energla hidraulica y ser utilizada segun la necesidad o ser almacenada en una unidad de carga de energla. Si no es posible el almacenamiento, la energla hidraulica es convertida nuevamente a, por ejemplo, energla cinetica al hacer rotar un motor o un generador electrico de tal manera que se lleva medio presurizado desde el circuito de AP al circuito de BP. La conversion es llevada a cabo, por ejemplo, por medio de dicha unidad de carga u otro convertidor de energla correspondiente. El ciclo de trabajo de cualquier accionador del mismo sistema puede comprender ambas fases de trabajo de vinculacion de energla (por ejemplo, aceleracion de un masa, ascension de una carga) y de liberacion de energla (por ejemplo, frenado de una masa, bajada de una carga). Cuando el sistema comprende varios accionadores, los diferentes accionadores pueden tener ambas fases de trabajo, vinculacion de energla y liberacion de energla, al mismo tiempo.

Un sistema sensitivo de carga (sistema LS) es la solucion de sistema mas tlpica segun la tecnica anterior, que es un sistema independiente de la presion de carga y controlado por el flujo volumetrico, y permite una perdida de presion que consiste no unicamente en la presion de carga sino tambien una perdida de presion del sistema de tuberlas y la configuracion de diferencia de presion del estrangulador control del flujo volumetrico del medio presurizado (tlpicamente aproximadamente 14 a 20 bar). En impulsores acoplados en paralelo, se ajusta la presion de funcionamiento del sistema, en un sistema funcionando normalmente bajo varios impulsores en paralelo simultaneamente, segun el nivel de presion de carga mas alto, y segun el accionador, la diferencia de presion sobre el estrangulador de control del flujo volumetrico se mantiene constante por medio de los compensadores de presion, y as! en ellos se desperdicia energla en forma de perdidas.

Como el sistema hidraulico digital basado en un metodo de control sin estrangulacion comprende varios accionadores cuyos ciclos de trabajo se pueden colocar de casi cualquier manera relativamente entre si en el tiempo, el sistema es claramente mas eficiente en energla que el sistema LS segun la tecnica anterior. En el sistema hidraulico digital, es posible en cada accionador seleccionar un area efectiva adecuada para uso, dependiendo del nivel de presion disponible y la necesidad de produccion de fuerza, para lograr la produccion de fuerza y velocidad cinetica deseadas con el mlnimo consumo energetico.

El sistema hidraulico digital no es sensible a interferencia provocada por variaciones de presion en los circuitos de alimentacion de presion (circuitos de carga) ya sea porque el sistema los adapta utilizando las areas efectivas. Tanto en los sistemas convencionales como en el sistema presentado de un tipo novedoso, los niveles de presion de los circuitos de carga pueden variar incluso claramente cuando la necesidad de energla de los accionadores supera la capacidad de produccion de energla de la unidad de carga. En el sistema hidraulico digital presentado, las presiones de los circuitos de carga pueden variar libremente dentro de ciertos llmites y la ajustabilidad sigue siendo todavla buena, y las variaciones de presion no tienen un efecto significativo sobre el consumo energetico. Preferiblemente, las presiones de los circuitos de carga se miden continuamente, para conocer la combinacion de las camaras de trabajo del accionador para lograr la suma de fuerzas deseada. Asl, la cantidad de energla consumida tambien cumple exactamente la necesidad. En el sistema presentado, variaciones en las presiones de los circuitos de carga unicamente provocan problemas si los cambios son tan fuertes que la fuerza de carga estatica ya no esta dentro del intervalo de produccion de fuerza del accionador.

Ejemplo I de un sistema hidraulico digital

La figura 1 muestra un ejemplo de un sistema que es un sistema hidraulico digital basado en el metodo de control sin estrangulacion y consiste en un accionador de cilindro de cuatro camaras impulsado por medio presurizado, circuitos de carga, unidades de carga de energla, y valvulas de control de las interfaces de control.

El sistema comprende, como circuitos de carga, una llnea de AP (llnea de alta presion, llnea P) 3 y una llnea de BP (llnea de baja presion, llnea T) 4, una llnea 5 conectada a la camara A del accionador, una llnea 6 conectada a la camara B del accionador, una llnea 7 conectada a la camara C del accionador, y una llnea 8 conectada a la camara D del accionador. Se suministra energla hidraulica a los circuitos de carga 3 y 4, por ejemplo, mediante una unidad de carga, cuyo funcionamiento se describira adicionalmente mas adelante.

El sistema tambien comprende interfaces de control para controlar la conexion de cada camara a la llnea de AP y la llnea de BP; en otras palabras, interfaz de control 9 (que controla la conexion AP/P-A), interfaz de control 10 (A-BP/T), interfaz de control 11 (AP/P-B), interfaz de control 14 (C-BP/T), interfaz de control 15 (AP/P-D), e interfaz de control 16 (D-BP/T).

El sistema tambien comprende un acumulador de AP 17 conectado a la llnea de AP 3, y un acumulador de BP 18 conectado a la llnea de BP 4. En este ejemplo, el sistema comprende un accionador compacto 23 con cuatro camaras de trabajo, de las que dos camaras de trabajo (A, C) funcionan en la misma direccion, extendiendo el cilindro usado como accionador 23, y dos camaras de trabajo (B, D) funcionan en sentido opuesto, contrayendo el cilindro. El accionador 23 tiene una camara A 19, una camara B 20, una camara C 21 y una camara D 22. El accionador 23, a su vez, es efectivo sobre una pieza que actua como carga L.

La llnea de AP se ramifica a cada llnea de camara de trabajo 5, 6, 7 y 8 del accionador por medio de interfaces de control de alta presion 9, 11, 13 y 15, respectivamente. La llnea de BP se ramifica a cada llnea de camara de trabajo 5, 6, 7 y 8 del accionador por medio de interfaces de control de baja presion 10, 12, 14 y 16, respectivamente. Las llneas 5, 6, 7, y 8 se conectan directamente a las camaras de trabajo 19, 20, 21 y 22, respectivamente. Una valvula de control de presion se puede conectar a la llnea de cada camara de trabajo, si es necesario. Dichas llneas e interfaces de control constituyen el circuito de control 40 necesario para el control del accionador 23.

En el sistema de la figura 1 usado como ejemplo, el accionador 23 tambien se configura, con respecto a las areas de las camaras de trabajo, de tal manera que los valores de area proporcionados al area mas pequena siguen los coeficientes de ponderacion del sistema binario (1, 2, 4, 8, 16, etc.), de modo que el accionador 23 tambien se llama codificado en binario. La codificacion en binario de las areas es, en vista del control de fuerza implementado por el control digital, la manera mas ventajosa de codificar las areas para obtener, con el mlnimo numero de camaras de trabajo, el maximo numero de niveles de fuerza diferentes de modo que las fuerzas se graduan uniformemente. El accionador tiene cuatro camaras de trabajo, y cada camara de trabajo se puede usar en dos estados diferentes que se pueden llamar el estado de alta presion y el estado de baja presion (correspondientes a dos componentes de fuerza diferentes), en donde unicamente la llnea de AP 3 o la llnea de BP 4 se conecta a cada camara de trabajo. Las componentes de fuerza FA, FB, FC, FD producidas por las camaras de trabajo se ilustran en la figura 1. Los estados tambien se pueden indicar por cero (0, estado de baja presion) y uno (1, estado de alta presion). En este caso, el numero de combinaciones de estados se vuelve 2n, en el que n es el numero de camaras de trabajo, y en dicho ejemplo se logran 16 combinaciones de estados diferentes de las camaras de trabajo, de modo que el accionador puede generar 16 sumas de fuerzas diferentes, las magnitudes de las fuerzas graduadas uniformemente desde la mas pequena a la mas grande gracias a la codificacion binaria. No hay estados redundantes, porque cada nivel de fuerza unicamente puede ser producido por una unica combinacion de estados, gracias a la codificacion binaria. No hay componentes de fuerza de valores absolutos iguales, ya que todas las camaras de trabajo son diferentes entre si. En este ejemplo, las direcciones de accion de las diferentes componentes de fuerza son parcialmente opuestas, y su suma de fuerzas determina la fuerza generada por el accionador y su direccion de accion, junto con los niveles de presion de los circuitos de BP y de AP. Por lo tanto, al ajustar los niveles de presion BP y AP, el accionador se puede usar para generar sumas de fuerzas ya sea en un sentido unicamente o en dos sentidos opuestos. Dependera de la aplicacion, en cuya direccion se desee o se necesite usar las sumas de fuerzas. En otros ejemplos de realizacion, tambien se pueden conectar otros circuitos de carga a cada camara de trabajo, por ejemplo varias llneas de AP o llneas de BP o ambas.

Un controlador incluido en el sistema de la figura 1 controla el funcionamiento del accionador y puede ser parte de un sistema de control mas grande que controla el sistema de la figura 1 para proporcionar una secuencia de funcionamiento deseada, relacionada con la produccion de una fuerza, momento, aceleracion, aceleracion angular, velocidad, velocidad angular, posicion o rotacion deseados. Si el sistema comprende varios accionadores, tambien comprendera controladores respectivos para ellos. Se puede dar un valor de pauta ya sea automaticamente o manualmente, por ejemplo por medio de una palanca de control. El sistema de control comprende tlpicamente un procesador programado que sigue los algoritmos deseados y recibe los datos de medicion necesarios de sensores para el control de accionadores. El sistema de control controla, por ejemplo, controladores segun la funcionalidad deseada del sistema.

Las diferentes combinaciones de acoplamiento, con la que el accionador produce diferentes sumas de fuerzas, de las valvulas, por medio de las que se implementan las interfaces de control 9 a 16, se disponen en un llamado vector de control en el controlador de modo que las sumas de fuerzas producidas con los estados diferentes de las valvulas son en un orden de magnitud, por ejemplo como se muestra en la figura 2. Esto es posible, en caso de un cilindro 23 con areas codificadas en binario, usando un numero binario creciente de 4 bits en la seleccion de los estados de las camaras de trabajo, en donde tambien los bits que indican el estado de las camaras de trabajo 20 y 22 efectiva en la direccion negativa (el cilindro se vuelve mas corto) se convierten a sus complementos. En el numero binario usado para seleccionar los estados de las camaras de trabajo y para controlar el accionador, la significancia de cada bit es proporcional a las areas efectivas de las camaras de trabajo. De esta manera, la suma de fuerzas producida por el accionador se puede controlar en proporcion al Indice de la combinacion de control seleccionada del vector de control, en dicho vector de control. La combinacion de control se refiere a la combinacion de controles de las interfaces de control.

La figura 2 muestra un ejemplo de una tabla de estados de un accionador de cilindro con cuatro camaras, correspondientes al sistema de la figura 1. Las areas efectivas de las camaras de trabajo se codifican con coeficientes de ponderacion binarios: A:B:C:D = 8:4:2:1. En la tabla de estados, se puede ver como las superficies efectivas bajo presiones diferentes se cambian a intervalos constantes cuando se procede de un estado al siguiente. Por esta razon, la respuesta de fuerza producida por el accionador tambien se gradua uniformemente.

En la columna "u%", el Indice para los diferentes controles se da como numero decimal. En la columna "dec 0...15", se da el numero decimal que corresponde al numero binario formado de los estados binarios (AP, BP) de las camaras de trabajo. En las columnas A, B, C y D, se expresan los estados binarios de las camaras de tal manera que el estado bit 1 representa alta presion (AP) y el estado bit 0 representa baja presion (BP). En las columnas "a/AP" y "a/BP", las areas efectivas conectadas a las presiones AP y BP del accionador se indican en numeros relativos, suponiendo que se cumplen dichas relaciones de areas. En la columna "dec 0...255", se da el numero decimal que corresponde al numero binario formado de los estados binarios de la interfaz de control. Las columnas A-BP, AP-A, B-BP, AP-B, C-BP, AP-C, D-BP, y AP-D contienen los estados binarios de las interfaces de control correspondientes a cada control (1, abierto, y 0, cerrado). Es obvio que con un numero de estados creciente de las camaras de trabajo, cuando se aumenta el numero de los circuitos de carga, los estados se pueden representar, por ejemplo, mediante el sistema ternario (numeros 0, 1, 2), el sistema cuaternario (numeros 0, 1, 2, 3), o de otra manera.

La figura 3 ilustra graficas de fuerza para el caso presentado en el ejemplo de tabla de estados de la figura 2 y para un accionador de cilindro de cuatro camaras con areas idealmente codificadas en binario segun, por ejemplo, la figura 1. En este ejemplo mas detallado, el diametro del piston de cilindro es de 85 mm, la presion del circuito de AP son 14 MPa, y la presion del circuito de BP es 1 MPa. La grafica mas alta muestra, en un orden de magnitud, las sumas de fuerzas generadas por el accionador, que se logran con diferentes combinaciones de acoplamiento de las camaras de trabajo al combinar camaras de trabajo al circuito de AP y de BP segun la tabla de estados de la figura 2.

En el diagrama inferior, la curva mas alta ilustra la produccion de fuerza del accionador al representar las sumas de fuerzas graduadas como funcion continua. La curva inferior ilustra la produccion de fuerza efectiva proporcional a la aceleracion del piston o el vastago de piston del accionador, que se puede calcular anadiendo el efecto de una fuerza de carga externa, que en este caso es de compresion o resistente a la extension del accionador, a la suma de fuerzas producida por el accionador. La fuerza de carga dependera de la aplicacion y de la carga provocada por la pieza a controlar. En este ejemplo, se supone que la fuerza externa de compresion es negativa; en otras palabras, cae la curva de la fuerza efectiva hacia abajo, y la fuerza de traccion externa, a su vez, sube la curva de la fuerza efectiva hacia arriba y, en este ejemplo, contribuye a la extension del accionador. A partir de las graficas, se puede recuperar un valor aproximado para esos valores de control o valores de control en los que la fuerza o aceleracion efectivas medidas es cero. El punto de fuerza cero se refiere al valor aproximado para el valor de pauta, en el que la fuerza efectiva producida por el accionador es cero. El punto de aceleracion se refiere al valor de control, en el que la aceleracion de la parte movil del accionador es cero. En caso de un accionador de cilindro, la parte movil es su piston y vastago de piston, siendo estable su bastidor, si la carga se conecta al vastago de piston. Por otro lado, la parte movil puede ser el bastidor que se mueve en relacion al piston y el vastago de piston, si la carga se conecta al bastidor. En caso de un accionador binario, la curva de la figura 3 es una funcion continua que es un polinomio de primer orden, esto es, una llnea recta.

Ejemplo II de un sistema hidraulico digital

La figura 11 muestra un ejemplo de un sistema que es tambien un sistema hidraulico digital basado en el metodo de control sin estrangulacion. Los otros sistemas ejemplares comprenden uno o mas de los accionadores de la figura 11. En la figura 11, la numeracion de los componentes corresponde a la numeracion en la figura 1 en tanto que sea un componente correspondiente. El sistema es as! uno que aplica accionadores hidraulicos digitales basados en el metodo de control sin estrangulacion. El sistema comprende al menos un accionador 23 y dos o mas circuitos de carga 3, 4 y 121, de los que se puede suministrar energla hidraulica a las camaras de trabajo de los accionadores 23. El accionador 23 junto con el circuito de control 40 (DACU) tambien se puede usar como pieza de una unidad de carga de energla; un ejemplo es la carga de energla potencial en un resorte 113 o en una carga L. La carga L tambien se puede referir una carga que es controlada, por ejemplo, por medio de control de fuerza. Uno o mas circuitos de carga se acoplan a cada accionador usado como parte de la unidad de carga de energla. Dos o mas circuitos de carga se conectan a cada accionador que controla otra carga. El circuito de carga se conecta al accionador por medio de un circuito de control 40 que comprende al menos las interfaces de control necesarias (vease la figura 1) y por medio de la que cada camara de trabajo se puede conectar a un circuito de carga, y tlpicamente dicha conexion tambien se puede cerrar. Preferiblemente, cualquier camara de trabajo del accionador puede estar tanto cerrada como conectada a cualquier circuito de carga que pertenece al sistema. Cada interfaz de control se implementa con, por ejemplo, una o mas valvulas tipo activacion/desactivacion. Las valvulas se colocan, por ejemplo, en un bloque de valvulas que comprende las llneas necesarias.

Cada circuito de control 40 junto con el respectivo controlador forma una unidad de control de aceleracion digital (DACU). La manera mas detallada de funcionamiento y el algoritmo de control del controlador dependeran de la aplicacion del accionador. En las figuras, los circuitos de carga a conectar a dicha unidad se indican con las referencias APi, MPi y BPi, en las que i es un entero. La flecha incluida en el slmbolo del accionador representa ajustabilidad basada en el uso de diferentes niveles de presion y areas efectivas. Un ejemplo de implementacion del controlador se muestra en la figura 5.

Como se muestra en la figura 11, el sistema comprende al menos una unidad de carga 110, que genera la energla hidraulica necesaria para los circuitos de carga 3, 4 conectados a el. Una o mas unidades de carga se pueden conectar a cada circuito de carga, o como alternativa, no se conecta unidad de carga a la unidad de carga si es una unidad de carga (por ejemplo unidades de carga 116 y 117 indicada con APia, APia y BPia, en las que i es un entero) que se suministra con energla hidraulica indirectamente por medio de otro circuito de carga o de otra manera (por ejemplo, convertidor de presion 112 de la figura 11 o convertidor de presion de bomba 122 de la figura 12). La unidad de carga 110 comprende una o mas unidades de bomba 111 con, por ejemplo, una unidad de bomba hidraulica 112 que comprende una bomba hidraulica convencional y su impulsor.

Cuando la unidad de bomba comprende varias bombas hidraulicas acopladas en paralelo o al menos una bomba que contiene dichas capacidades desiguales, dichas capacidades pueden ser controladas independientemente entre si, la energla hidraulica puede ser trasferida entre circuitos de carga de varios niveles de presion diferentes simultaneamente.

La unidad de carga 110 tambien comprende un sistema de valvula de control y seguridad 124, por medio del que cada llnea de la unidad de bomba, en este ejemplo las llneas 119 y 118 de la unidad de bomba, se puede conectar a cualquier circuito de carga independientemente entre si, o a una llnea de tanque y un tanque T, si este se incluye en el sistema. Por medio del sistema de valvula de control y seguridad 124, se tiene cuidado de que el nivel de presion no suba demasiado alto en los circuitos de carga o en las llneas de la unidades de bomba.

Si el sistema comprende circuitos de carga que no se conectan a la misma unidad de carga, se puede trasferir energla entre dichos circuitos de carga por medio de, por ejemplo, un convertidor de presion. Como ejemplo, se mencionan los circuitos de carga APi y APia de la figura 11, en los que la trasferencia de energla es posible desde dos o mas circuitos de carga por medio de un convertidor de presion a dos o mas circuitos de carga simultaneamente.

A cada circuito de carga se puede conectar una o mas unidades de carga de energla. La unidad de carga de energla es, por ejemplo, un acumulador de presion convencional 17 y 18, o un accionador de cilindro digital 23 que carga energla por ejemplo sobre la carga L o sobre un resorte 113, en forma de energla potencial. Se puede cargar energla como energla potencial tambien en un gas compresible o en cualquier otra forma de energla. La presion de los circuitos de carga es mantenida en un nivel deseado por medio de unidades de carga de energla y unidades de carga.

Ambos accionadores hidraulicos digitales basados en el metodo de control sin estrangulacion, y accionadores convencionales controlados por valvulas de control de estrangulacion se pueden acoplar a cada circuito de carga, como se muestra en las figuras 13c y 13d.

Ademas, uno o mas subcircuitos se pueden conectar a cada circuito de carga usando accionadores hidraulicos digitales que se aplican como convertidores de presion o convertidores de presion de bomba. Un subcircuito es un circuito de carga cuyo funcionamiento ininterrumpido es dependiente de energla introducida desde otro circuito de carga. En otros sentidos, los mismos principios se aplican a los subcircuitos que a los otros circuitos de carga.

Unidad de carga

A continuacion se tratara el funcionamiento de la unidad de carga 110. Una unidad de bomba hidraulica 120 comprende una o mas bombas hidraulicas o motobombas que pueden ser, cada una, de tipo convencional o motobombas, que comprenden una llnea de succion y una llnea de presion, o bombas hidraulicas o motobombas digitales, que comprenden varias llneas que pueden ser usadas como llneas tanto de succion como de presion, dependiendo del control. En este ejemplo, la llnea 119 es la llnea de succion de una bomba hidraulica convencional, que recibe un flujo volumetrico, y la llnea 118 es, a su vez, una llnea de presion que entrega un flujo volumetrico. La funcion del sistema de valvula de control y seguridad 124 es conectar la llnea 119 a este tipo de circuito de carga desde el que se va a entregar medio presurizado, y conectar la llnea 118 a este tipo de circuito de carga, al que se va a suministrar medio presurizado y energla hidraulica.

El algoritmo de bombeo de la unidad de carga 110, en su unidad de control, funciona tlpicamente con el principio de que la llnea 118 esta siempre conectada a este tipo de circuito de carga, en que el deslizamiento de presion relativa desde el valor mlnimo del objetivo de amplitud de presion, u objetivo de presion, es el mas grande. De manera correspondiente, la llnea 119 esta siempre conectada a este tipo de circuito de carga, en el que el rebose de presion relativa desde el valor maximo del objetivo de amplitud de presion, o el objetivo de presion, es el mas alto. Si la presion de cualesquiera circuitos de carga no supera el valor maximo u objetivo de presion del correspondiente objetivo de amplitud de presion, la ilnea 119 se conecta a la llnea de tanque (tanque T), y de manera correspondiente, la llnea 118 se conecta a este tipo de circuito de carga, en el que el deslizamiento de presion relativa desde el valor mlnimo del objetivo de amplitud de presion, o el objetivo de presion, es el mas grande. Si las presiones de todos los circuitos de carga superan el valor maximo u objetivo de presion del correspondiente objetivo de amplitud de presion, la llnea 118 se conecta a la llnea de tanque (tanqueT), y de manera correspondiente, la llnea 119 se conecta a este tipo de circuito de carga, en el que el rebose relativo desde el valor maximo del objetivo de amplitud de presion es el mas alto. En este caso, se trasfiere energla desde el circuito de carga por medio de la unidad de bomba 111 a, por ejemplo, energla cinetica, o para ser utilizada, por ejemplo, para la production de energla electrica por medio de un generador y baterlas cargables.

Para impedir vibraciones de la unidad de bomba 111, los acoplamientos se cambian en intervalos suficientemente largos, por ejemplo, en periodos de acoplamiento de al menos 1 segundo. Si la presion de unicamente un circuito de carga difiere de su objetivo de presion u objetivo de amplitud de presion, la llnea 118 se puede mantener conectada siempre que se haya logrado el objetivo de presion. Si las presiones de todos los circuitos de carga permanecen por debajo de los valores mlnimos de los correspondientes objetivos de amplitud de presion, las presiones se corrigen de manera alterna por medio de dicho algoritmo y se mantienen las relaciones entre las presiones iguales que las relaciones entre los correspondientes objetivos de presiones. Asl, las prestaciones de los accionadores siguen siendo buenas, incluso si los circuitos de carga todavla estuvieran en la fase de carga y no se hubieran logrado aun los objetivos de presiones. Si las presiones se desvlan en direcciones diferentes de los correspondientes objetivos de presiones, se retira medio presurizado del circuito de carga, en el que el rebose relativo del objetivo de presion del nivel de presion es el mas alto, y se suministra medio presurizado al circuito de carga, en el que el deficit relativo del nivel de presion respecto el objetivo de presion es el mas alto.

En situaciones, en las que cualquier accionador requiere inmediatamente una gran cantidad de energla para mover la carga, la carga de un circuito de carga dado se puede priorizar durante un momento o permanentemente sobre la carga de los otros circuitos, o un circuito de carga dado se puede acoplar para uso por parte de dicho accionador. La unidad de control se configura para implementar dichas operaciones en la unidad de carga 110, controlando sus componentes por medio de senales de control apropiadas y sobre la base de mediciones que incluyen particularmente las mediciones de presion de los diferentes circuitos de presion. Los circuitos de carga y las llneas de la unidad de carga se equipan preferiblemente con sensores de presion conectados a la unidad de control.

Controlador del accionador hidraulico digital

A continuation se tratara el controlador usado para controlar el sistema, que calcula, por medio de un valor de pauta, los valores de control necesarios para controlar la carga por medio del accionador. Los valores de control son, en este caso, valores que describen los estados de las interfaces de control y los estados de sus valvulas de control.

Hay varias alternativas posibles de controlador, de las que algunas adecuadas se presentaran en esta memoria. Un rasgo comun para los diferentes controladores es que el controlador calcula los estados optimos para las interfaces de control, esto es, las posiciones de las valvulas de control (abierta o cerrada). El calculo del control tiene lugar sobre la base de valores de pauta dados y variables medidos. Las salidas digitales del controlador se usan para establecer las posiciones de las valvulas de control.

El numero de combinaciones de salida totales 2n, en el que n es el numero de salidas, cuando los estados de las interfaces de control tambien se describen por las alternativas binarias 0 y 1. De estas combinaciones, unicamente se usan algunas, porque no se permite una situation en la que el circuito de AP y el circuito de BP estan acoplados a la misma camara de trabajo al mismo tiempo. La situacion descrita significarla, por ejemplo, que la interfaz de control 11 (AP-B) y la interfaz de control 12 (B-BP) estarlan abiertas, lo que llevarla a un flujo de cortocircuito desde el circuito de AP al circuito de BP y la desviacion de la presion de la camara de trabajo 20 desde la presion del circuito de BP y el circuito de AP. Un flujo de cortocircuito tambien provocarla perdidas de energla, que se tienen que evitar. El metodo de ajuste presentado difiere sustancialmente del ajuste proporcional, en el que el estado cinetico del sistema es controlado por una unica valvula de control de manera continua.

El funcionamiento del controlador 24 se ilustra en la figura en el nivel de un diagrama esquematico, que tambien es adecuado para simular el sistema. Sobre la base de principios presentados en el diagrama esquematico, un experto en el campo puede disenar e implementar el dispositivo controlador requerido (algoritmo de control/software de control) que se conecta al sistema que controla la carga. Tlpicamente es un procesador adecuado para procesamiento de senal y controlado por software, que implementa ciertos algoritmos de computo. El controlador comprende las entradas y salidas necesarias para recibir y generar senales. El controlador forma parte de la unidad de control de aceleracion digital (DACU).

Cuando se tratan coeficientes de control en este documento, se hace referencia a unos medios 25 mostrados en la figura 4 y conocidos como tal, que escalan la entrada variable Entrada1 de tal manera que la salida variable Salida1 se convierte en la suma de los terminos P (amplification), I (integration) y D (derivation) escalados con algunos coeficientes de control. La entrada es tlpicamente el resto calculado del valor establecido o de pauta sobre la base del valor medido. Los valores numericos mas precisos para el eficiente se encontraran emplricamente o mediante calculos en conexion con el afinamiento del controlador.

La figura 5 muestra un controlador 24 para el accionador de cuatro camaras mostrado en la figura 1. Un controlador correspondiente tambien se puede aplicar en otros accionadores o unidades accionadoras que tienen una codificacion correspondiente de areas de camara de trabajo. Los principios del controlador 24 tambien se pueden expandir a accionadores distintos de cuatro camaras o codificados en binario.

Un sistema controlado por fuerza se puede hacer controlado por aceleracion mediante acoplamiento de retroalimentacion de datos de aceleracion, as! como datos de la fuerza generada por el accionador, al controlador. Sobre la base de esto, es posible calcular un termino de compensacion que produce aceleracion cero para el control, en donde la aceleracion deseada se puede generar para el accionador, independientemente de la fuerza de carga.

Un sistema controlado por aceleracion se puede hacer controlado por velocidad al dar al controlador un valor de pauta de velocidad y comparar este con los datos de velocidad medidos desde el accionador (retroalimentacion de velocidad). Asl, la fuerza generada por el accionador se compara en proporcion con la variable de diferencia de velocidad, esto es, la diferencia entre el valor de pauta de velocidad y el valor real, o los datos de velocidad. La variable de diferencia es escalada por un miembro mostrado en la figura 4.

Un sistema controlado por velocidad se puede hacer controlado por posicion dando al controlador un valor de pauta de posicion y comparar este con los datos de posicion medidos desde el accionador. Asl, el valor de pauta de velocidad del accionador, a aportar al sistema de control de velocidad, se ajusta en proporcion con la variable de diferencia de posicion, esto es, la diferencia entre el valor de pauta y el valor real de la posicion. Un sistema de control de posicion implementado de esta manera, basado en controlar la fuerza del accionador, es un ejemplo de un llamado sistema de control secundario.

El controlador 24 de la figura 5, que ajusta la posicion del accionador, realiza control secundario y convierte el valor de control calculado a una combination de estados de las interfaces de control. El controlador recibe, como sus entradas, el valor de pauta 26 para la posicion del accionador y los datos de posicion 27, y calcula su diferencia, que es la variable de diferencia de la posicion. La variable de diferencia de posicion se escala en un bloque de control de posicion 61 (coeficientes de control de posicion) para formar un valor de pauta de velocidad 28 por un miembro 25 mostrado en la figura 4. Se sustraen datos de velocidad 29 del valor de pauta de velocidad 28, en donde se obtiene la variable de diferencia de velocidad. La variable de diferencia de velocidad es escalada en un bloque de control de velocidad 38 (coeficientes de control de velocidad) por un miembro 25 mostrado en la figura 4 para formar un valor de control de fuerza 31 que se satura, por ejemplo, a un intervalo de -1 a 1 y se introduce en un convertidor de control 32. El valor de control escalado de esta manera se puede escalar facilmente aun mas para formar valores de control de la interfaz de control. Si el termino I en los coeficientes del bloque de control de velocidad 30 es cero, esto es, el control de integration no esta en uso, el valor de control 31 es proporcional a la aceleracion deseada, en donde el valor de control 31 tambien se puede llamar valor de control de aceleracion relativa. Cuando el control de integracion esta en uso, el valor de control 31 se aproxima a una variable proporcional a la production de fuerza deseada, en donde despues al control ya no se anade un termino para compensar la fuerza de carga.

La funcion del convertidor de control 32 es principalmente convertir el valor de control 31 a controles binarios de las interfaces de control. Si no se usa control de integracion, el convertidor de control tambien necesitara, para esta funcion, information acerca de la fuerza de carga efectiva sobre el accionador y anadira un termino proporcional a la carga al control, para satisfacer la aceleracion deseada. Ademas, el convertidor de control 32 examina los datos obtenidos como datos de sensor en tiempo real en la variable de diferencia de posicion 33, los datos de velocidad 29 y la variable de diferencia de velocidad 34, y concluye, sobre la base de estos, por ejemplo si el sistema debe ser trabado en posicion cerrando todas las interfaces de control. Cuando, por ejemplo, se ha logrado el valor de pauta de posicion dado 26 o la velocidad cero con suficiente precision, ya no vale la pena continuar el control, porque la energla se consume cargando los estados de las valvulas. El convertidor de control 32 tambien necesitara un valor de pauta 35 en el tipo de estado de trabado que se va a usar. Alternativas pueden ser, por ejemplo, 1) no trabado en ninguna situation, 2) trabado manualmente todo el tiempo (en un tipo de anulacion, esto es, "por fuerza"), 3) trabado en uso en vista de las necesidades del control de posicion, 4) trabado en uso en vista de las necesidades del control de velocidad.

La funcionalidad del convertidor de control 32 tambien se puede dividir en varios convertidores separados, por ejemplo de tal manera que cada convertidor controla las interfaces de control de un unico accionador. El valor de control 31 para aceleracion, esto es, el valor de control de fuerza relativa, se puede introducir como entrada a todos los convertidores que calculan las posiciones correspondientes a la aceleracion deseada segun la situacion de carga.

Como alternativa, la funcionalidad del convertidor de control se puede dividir en partes modulares sobre el nivel principal del controlador. Asl, es posible procesar controles de varios accionadores en las mismas partes del convertidor de control de tal manera que las operaciones comunes se llevan a cabo para el control de valor de vector, escalado individualmente sobre la base de algunas variables obtenidas del sistema incluso antes de entrar en las partes del convertidor de control. Ademas, como alternativa, es posible generar los controles de varios accionadores en el mismo convertidor de control de un unico control discreto comun del sistema utilizando diversos vectores de control, esto es, tablas de conversion de control.

No se necesita un bloque de retraso 36 pero se puede usar para realizar optimizacion efectiva en la funcionalidad de las valvulas de la interfaz de control. Por ejemplo, la funcion del bloque de retraso 36 puede ser para anadir un retraso a los cambios de los valores de control 37 de las valvulas en los cantos ascendientes de los controles digitales y, si es necesario, para controlar la abertura de la interfaz de control cuando esto es util en vista de consumo energetico. Los retrasos necesarios son computados sobre la base de, por ejemplo, los datos de velocidad 29 del accionador.

A continuacion se tratara un controlador de un sistema controlado por velocidad.

Como se muestra en la figura 6, un sistema controlado por velocidad requiere, para su funcionamiento, el valor de pauta de velocidad 28 del accionador y los datos de velocidad 29, que se pueden obtener, por ejemplo, como datos medidos directamente de un sensor de velocidad, o como datos estimados desde otras variables medidas, particularmente el cambio en posicion con respecto al cambio en tiempo, esto es, por diferenciacion a partir de los datos de posicion. Se ha omitido un bucle de control de posicion alrededor del sistema de control de velocidad. Con respecto a las otras partes, el sistema controlado por velocidad funciona de la misma manera que el sistema controlado por posicion de la figura 5.

A continuacion se tratara un controlador de un sistema controlado por aceleracion.

Un sistema controlado por aceleracion tambien puede requerir los datos de velocidad 29 del accionador como datos de sensor de retroalimentacion. Sin embargo, esto no se usa para el control sino, por ejemplo, por las necesidades de un sistema de trabado en el convertidor de control 32, como se muestra en la figura 5. Ademas, el sistema de trabado necesitara datos ya sea de la variable de diferencia de velocidad o del estado del valor de control 31, esto es, cuanto difiere de cero el valor de control. Con respecto a las otras partes, el sistema controlado por fuerza funciona de la misma manera que el sistema controlado por posicion de la figura 5.

Tambien en sistemas controlados por velocidad y aceleracion, la adicion inteligente de los retrasos de apertura de las interfaces de control es util con el bloque de retraso 36 de la figura 5.

El funcionamiento del convertidor de control del controlador se ilustra en el nivel de un diagrama esquematico en la figura 8, y simultaneamente se hace referencia a la tabla de estados de la figura 2, que se utiliza en el convertidor. Sobre la base de un valor de control dado 31, el convertidor de control 32 calcula los estados binarios 38 adecuados para las interfaces de control. El valor de control 31 se somete a escalados, conversiones de nivel y operaciones de redondeo a un entero necesarios, porque niveles de fuerza discretos estan en cuestion. Si el control de integration (bloques 61 y 30) no se aplica en el controlador, al valor de control 31 en el convertidor de control 32 tambien se anade una estimation 38 para el punto cero de aceleracion o una variable proporcional a este.

El valor de control de fuerza relativa 31 del accionador debe ser escalado al intervalo de Indices para el control de la tabla de estados del accionador (figura 2, u%) de tal manera que en todas las situaciones de carga, un valor de control de cero (0) generara un valor de control del punto cero de aceleracion a la entrada del bloque de saturation. Esto se implementa, en el presente ejemplo, multiplicando el valor de control de fuerza relativa por la magnitud del intervalo de indizacion para los controles, tras lo que a la senal se anade una estimacion 38 para el punto cero de aceleracion. El resultado se satura en el intervalo de indizacion de 0 a 15 y se redondea al entero mas cercano, en donde se ha formado el valor de control discreto u%.

Tras esto, se hace una conversion A/D (analogico a digital) de tal manera que de la tabla (0...255) se recupera un numero decimal correspondiente al numero binario formado de los estados binarios de las interfaces de control en el valor de control discreto u% correspondiente a este. El valor decimal recuperado de la tabla es convertido a un numero binario, y los bits de dicho numero binario se separan en sus propias salidas, segun la tabla de estados. Asl, para cada valvula se han formado controles binarios 39 (abierta, cerrada). En una situation de trabado, el control de cada interfaz de control se establece en un estado correspondiente a cierre.

Gestion y optimizacion del consumo energetico en un accionador

A continuacion se trataran los cambios en los estados de las camaras de trabajo en el sistema. Cuando la presion de una camara de trabajo aumenta desde la presion BP a la presion AP, el medio presurizado en la camara de trabajo tambien se comprime y la estructuras del sistema rinden hasta cierto punto, de modo que se debe suministrar energla desde el circuito de AP a la camara de trabajo, si no se realiza precompresion utilizando la propia energla cinetica del sistema. Cuando la presion se disminuye nuevamente a la presion BP, se desperdicia dicha energla vinculada al medio presurizado comprimido, si no se desea o no se puede vincular la energla a energla cinetica a utilizar en el sistema por medio de expansion del medio presurizado (preexpansion). Cuanto mas grande es la camara de trabajo en la que tienen lugar cambios de estado, mas grande es el volumen del medio presurizado y mayor es la cantidad de energla consumida o liberada en los cambios de estado. De manera natural, el numero de cambios de estado tambien afectara directamente al consumo energetico.

Cuando se examina la tabla de estados de la figura 2, se puede ver que cuando se cambian los valores de control diferentes u%, tiene lugar un numero diferente cambios de estado especlficos de camara de trabajo. Con los valores de control u% = 4 y u% = 5, unicamente cambia el estado de la camara de trabajo mas pequena (camara D), mientras que con los valores de control u% = 7 y u% = 8, cambian los estados de todas las camaras de trabajo. Como resultado, un cambio de estado entre u% = 4 y u5 = % consume mucha menos energla que un cambio de estado entre los valores de control u% = 7 y u% = 8.

En vista del consumo energetico, es desfavorable realizar siempre al mismo tiempo los cambios de estado de la interfaz de control conectada al circuito de BP y la interfaz de control conectada al circuito de AP de la misma camara de trabajo, porque en este caso una de las interfaces de control empieza a cerrarse al mismo tiempo cuando la otra interfaz de control empieza a abrirse. Asl, por ejemplo, cuando los miembros de cierre de las valvulas de control se mueven simultaneamente, ambas interfaces de control estan semiabiertas y asl dejan pasar momentaneamente una cantidad considerable de flujo volumetrico (llamado flujo de cortocircuito), que consume energla. En la presente descripcion, este fenomeno se llama cambio de estado en rafaga, debido a perdida de energla de corta duracion.

Las perdidas de energla se pueden reducir aumentando las velocidades de funcionamiento de las valvulas de control y teniendolas en cuenta en el control del sistema.

Cuando la camara de trabajo se esta contrayendo y su presion debe ser aumentada desde la presion BP a la presion AP, es ventajoso, en vista del consumo energetico, establecer un retraso de apertura para la interfaz de control conectada al circuito de AP. Asl, cuando se cierra la interfaz de control conectada al circuito de BP, la camara de trabajo se cierra durante algun tiempo. Cuando la camara de trabajo se contrae aun mas, la presion en la camara de trabajo aumenta (precompresion), y la interfaz de control conectada al circuito de AP se puede abrir sin una perdida de energla innecesaria en el momento cuando la presion en la camara de trabajo ha subido al nivel de la presion AP. Se puede lograr un beneficio correspondiente cuando se expande la camara de trabajo y su presion debe ser cambiada desde la presion AP a la presion BP. Asl, para el interfaz de control conectada al circuito de BP se establece un retraso de apertura; en otras palabras, el cambio de estado de la camara de trabajo se realiza cerrando la camara de trabajo durante un momento y esperando, cuando la camara de trabajo se expande, que la presion en la camara de trabajo disminuya al nivel de la presion BP (preexpansion). Asl, la interfaz de control conectada al circuito de BP se puede abrir sin perdidas de energla. En otros cambios de estado, es diflcil evitar una perdida de energla, y en ellos no se usa retraso de apertura.

Los retrasos de apertura son controlados en el controlador 24 de la figura 5 y, por ejemplo, en su bloque de retraso 36, como se ha presentado anteriormente.

En un ejemplo, para minimizar perdidas de energla en los cambios de estado de las camaras de trabajo, es posible utilizar, en conexion con cambios de estado, un nivel de presion que se establece, por ejemplo, entre las presiones de los circuitos de AP y BP, aproximadamente a medio camino entre ellas. Como se muestra en la figura 11, es un circuito de carga 121, en otras palabras, un circuito de MP. Preferiblemente, al menos una unidad de carga de energla, por ejemplo, acumulador de presion, se conecta al circuito de MP.

En un sistema que comprende tres o mas niveles de presion, es posible llevar a cabo un cambio de estado casi sin perdida entre dos niveles de presion de la camara de trabajo al utilizar el nivel de presion que queda entre ellos. Se tratara el cambio de estado de una camara de trabajo de un unico accionador hidraulico digital. Al comienzo del cambio de estado, la camara de trabajo esta a la presion BP. Al comienzo, el circuito de MP se conecta a la camara de trabajo, en donde la presion empieza a aumentar en la camara de trabajo. Cuando el nivel de presion esta suficientemente cerca de la presion Ap o de otro modo logra su maximo, el circuito HIP se conecta a la camara de trabajo, en donde la presion transitoria permanece pequena y ocurre diflcilmente cualquier rebose de presion. En cualquier fase, no hay necesidad de estrangular los flujos de medio presurizado, dando como resultado un cambio de estado casi sin perdidas. La energla necesaria para el cambio de estado se vincula primero desde la camara de trabajo o circuito de carga por medio de una inductancia parasita del conducto a energla cinetica del circuito de carga y de ese modo ademas a energla de presion de la camara de trabajo.

El cambio de estado desde la presion AP a la presion BP de la camara de trabajo tambien se implementa de manera correspondiente. Al principio, el circuito de MP se conecta a la camara de trabajo, y cuando el deficit de presion esta en lo mas alto, la camara de trabajo se conecta a la presion BP. En los cambios de estado se vincula y libera energla como ya se ha presentado.

Control y optimizacion de los niveles de presion de los circuitos de carga

A continuacion se tratara el efecto de las presiones AP y BP en la gradacion y nivel de fuerza y de ese modo la ajustabilidad de las sumas de fuerzas generadas por el accionador.

Si la presion BP es muy baja, tanto la fuerza de propulsion maxima (suma de fuerzas positiva) como la fuerza de traccion maxima (suma de fuerzas negativa) aumentan conforme aumenta la presion AP. Asi, aumenta la extension del intervalo de fuerza, en donde tambien aumenta la diferencia entre los niveles de fuerza, porque el numero de niveles de fuerza permanece sin cambiar. Es apropiado usar una relacion muy alta entre las presiones AP y BP en aplicaciones las que la magnitud y la direccion de la suma de fuerzas requerida varia en gran medida. Tras haberse establecido la presion AP a un nivel dado y aumentarse la presion BP, se reduce la suma de fuerzas positiva a lograr con el control discreto mas alto y la suma de fuerzas negativa a lograr con el control discreto mas bajo se desplaza en la direccion positiva, en donde el intervalo de fuerza del accionador se vuelve mas estrecho. Cuando se aumenta suficientemente la presion BP, la suma de fuerzas a lograr con el control discreto mas bajo se desplaza de negativo a positivo y de ese modo se aproxima aun mas a la suma de fuerzas positiva a lograr con el control discreto maximo. Cuando el intervalo de fuerza se vuelve mas estrecho, la diferencia entre los niveles de fuerza tambien se vuelve mas estrecha, en donde los cambios en la aceleracion del accionador se reducen simultaneamente. Esto mejorara la ajustabilidad, si la aplicacion es de manera que la fuerza de carga no varia en una medida significativa; esto es, siempre permanece dentro de ciertos valores de tolerancia. Asi, en ciertas aplicaciones, es apropiado ajustar activamente las presiones BP y AP, si es necesario, de modo que el intervalo de fuerza cubra la production de fuerza requerida para mover la carga de manera optima. El metodo presentado anteriormente reduce el consumo energetico, porque las perdidas de energia de los cambios de estado en rafaga son las mas pequenas, cuanto mas cercanas esten las presiones AP y BP entre si. Ademas, las diferencias en los niveles de fuerza son asi mas pequenas, el ajuste es mas preciso, la optimization es mas facil, y se mejora la eficiencia energetica.

Si el sistema no comprende unidades de almacenamiento alternativas para el medio presurizado, la cantidad del medio presurizado contenido en los acumuladores de presion limita la presion maxima del circuito de AP. Por otro lado, la presion minima del circuito de BP se determina por la capacidad de rendimiento de las valvulas de control, que es proporcional a la diferencia de presion, junto con los requisitos de velocidad del accionador, en donde las presiones Ap y BP no pueden ser ajustadas de manera independiente entre si. El ajuste de las presiones AP y BP independientemente entre si requerira la inclusion de una unidad de almacenamiento alternativa para medio presurizado en el sistema. La unidad de almacenamiento puede ser, por ejemplo, un acumulador de presion o un tanque de medio presurizado.

Optimizacion del controlador

A continuation se tratara la estimation del termino para compensation de la fuerza de carga.

En el ajuste de la position, la velocidad, asi como la aceleracion, para tener en cuenta la fuerza de carga es posible usar, por ejemplo, ajuste de integration, que es posible solamente sobre la base de los datos de posicion medidos 27 y los datos de velocidad 29 que se han medido o integrado de los datos de posicion. Como alternativa, tambien es posible, sin embargo, aplicar estimacion del llamado punto cero de aceleracion de tal manera que sobre la base de los datos de aceleracion obtenidos de un sensor de aceleracion fijado a la parte movil del sistema y datos obtenidos de la produccion de fuerza del accionador, al valor de control 31 se anade un termino para compensacion de la fuerza de carga, esto es, un punto cero de aceleracion estimacion 38. Los datos sobre la produccion de fuerza del accionador se pueden calcular ya sea directamente a partir del control discreto del accionador o sobre la base de las presiones medidas de las camaras de trabajo, o sobre la base de datos obtenidos directamente de un sensor de fuerza.

Al utilizar el sistema mostrado en la figura 1, la estimacion se basa en una ecuacion de fuerza del estado de continuidad del sistema, en el que la aceleracion es cero,

y

en la que las fuerzas efectivas en la direccion que aumenta la longitud del accionador por el piston del accionador son positivas, y las fuerzas efectivas en la direccion que disminuyen la longitud del accionador son negativas.

en la que

Como ahora se supone que la aceleracion es cero, el control u% del accionador que ha sido redondeado a enteros, esto es, que tiene un valor discreto, tiene que ser de manera que cuando una fuerza de carga estatica o dinamica es efectiva, el valor absoluto de la aceleracion realizada esta tan cerca de cero como sea posible en cada momento de tiempo. El control del accionador tiene un numero limitado de estados discretos, en donde la aceleracion cero no se logra a menudo en cualquiera de dichos estados, pero se debe imaginar un control teorico con un valor continuo entre los valores discretos, para poder calcular un valor preciso para el control requerido. Este control teorico con un valor continuo, que da aceleracion cero, se llama el punto cero de aceleracion uao en este documento. Dicho control es sustituido por el control discreto del accionador en la ecuacion:

Si se obtienen datos de sensor en tiempo real o datos de estimacion sobre la fuerza de carga, la presion BP y la presion AP, dicho termino uao se puede resolver de la ecuacion de fuerza en tiempo real:

El termino ua0 representa este tipo de equivalente del valor de control graduado u% que tiene un valor continuo, o que esta sin redondear, que produce de la mejor manera la aceleracion cero aproximada cuando se anade al control escalado al intervalo de indizacion de valor cero de los controles del accionador antes de la operacion de redondeo. Asl, el control discreto u% del accionador se desplaza exactamente el desplazamiento requerido de modo que el efecto de compensacion requerido se vuelve verdadero.

En las ecuaciones mencionadas anteriormente, el termino D. es el diametro de la camara de trabajo 19 (la camara mas grande A), ^papes la presion del circuito de AP, ^pbpes la presion del circuito de BP, y Fload es la magnitud de la fuerza de carga reducida para el accionador. El termino uao varla entre 0 y 15 en este ejemplo. El lado izquierdo de la ecuacion de fuerza representa la fuerza Fcil producida por el accionador. Dependiendo de la etapa seleccionada del valor de control uao (vease la figura 2) es tambien la fuerza producido por el sistema, que debe ser igual a la fuerza de carga en el punto cero de aceleracion.

La fuerza total efectiva en el sistema se calcula multiplicando la aceleracion obtenida, por ejemplo, en forma de datos de sensor, con la masa inercial reducida para el accionador. La fuerza supuesta Fcil generada por el accionador se puede calcular directamente sobre la base del control discreto del accionador, pero un resultado mas fiable de la production de fuerza en toda situation se obtiene al calcular la fuerza sobre la base de las presiones medidas y areas efectivas de las camaras de trabajo, o directamente como resultado de medicion de un sensor de fuerza. La fuerza de carga Fcarga se obtiene ahora como la diferencia entre dicha fuerza total y la fuerza generada por el accionador. Ahora se puede insertar el valor de la fuerza de carga obtenido como resultado de calculo, junto con las presiones AP y BP, en la ecuacion del punto cero de aceleracion, en donde la ecuacion da el valor del punto cero de aceleracion como resultado. Como alternativa, la fuerza de carga Fcarga tambien se puede insertar en una tabla que corresponde a la curva de fuerza del accionador y que se almacena en el convertidor de control 32 de la misma manera que las tablas de estado de la figura 2. Mediante la fuerza de carga en la tabla tambien se encuentra el valor de control necesario para generar una fuerza contraria igual a la fuerza de carga. El metodo basado en tabulation es funcional particularmente cuando el dimensionamiento de las areas efectivas se desvla, por ejemplo, de la serie binaria de tal manera que los niveles de fuerza se graduan irregularmente.

El valor de control calculado o tabulado (estimacion 38) se anade al valor de control 31 del accionador, por ejemplo, en el convertidor de control 32, tras lo que el convertidor de control calcula los controles 39 de las interfaces de control. Tiene lugar compensacion de la fuerza de carga, por ejemplo, en un bloque de control separado o en un bloque de compensacion 48, como se muestra en la figura 5. Las entradas del bloque de compensacion 48 son las presiones de los circuitos de AP y BP, las presiones de las camaras de trabajo, asl como la aceleracion de la parte movil del accionador. Ademas, si las fricciones y las fuerzas finales de los accionadores se incluyen en el modulo para estimar la fuerza producida por el accionador, la position y la velocidad del accionador tambien son necesarias como entradas. Las entradas del controlador se obtienen, por ejemplo, de sensores adecuados colocados en el sistema. La estimacion para el punto cero de aceleracion, obtenida como la salida del bloque de compensacion 48, es la entrada en el convertidor de control 32.

Control y optimization de fallos en la interfaz de control

A continuation se tratara un sistema y un metodo a aplicar en el sistema presentado, y particularmente su controlador. Debido a una valvula defectuosa, el funcionamiento de la interfaz de control se ve perturbado, lo que se debe tener en cuenta en el funcionamiento del controlador usado para controlar el sistema.

Los principios del metodo mencionado anteriormente se pueden aplicar en un sistema que comprende dos o mas niveles de presion, en caso de controlar un accionador que comprende una o mas camaras de trabajo por medio de un circuito de control en el que una o mas valvulas de la interfaz de control permanecen permanentemente cerradas o abiertas en una situation de fallo. En la situation de ejemplo, se tratara un accionador de cilindro de cuatro camaras en un sistema de presion dual.

Cuando las valvulas permanecen permanentemente cerradas, se debe asegurar que la camara de trabajo del accionador no permanezca en el estado cerrado excepto durante el trabado del accionador o durante precompresion o preexpansion de la camara de trabajo. Ademas, en una situacion de atasco, la velocidad maxima del accionador se limita para impedir cavitation de las camaras de trabajo conectadas a los circuitos de AP y BP o sobrepresion de las camaras de trabajo durante movimientos del piston. La position de cierre de la camara de trabajo significa que todas las interfaces de control relacionadas con dicha camara de trabajo estan cerradas.

Cuando las valvulas permanecen permanentemente abiertas, se debe asegurar que los controles en el vector de control del controlador sean del orden que las sumas de fuerzas generadas por medio de ellos estan en un orden de magnitud. Ademas, se debe asegurar que durante el trabado, la fuerza de sostenimiento del accionador sea suficiente; en otras palabras, que el accionador no pueda "resbalar" contra sus llmites de presion de camara. Esto es posible al dejar destrabada la camara de trabajo, en la que valvulas de la interfaz de control se han atascado abiertas.

Ahora se tratara la gestion de fallos cuando la interfaz de control o sus valvulas se dejan abiertas (posicion activa) o cerradas (posicion desactiva), excluyendo situaciones de trabado, en las que la interfaz de control se ha dejado abierta debido a un fallo de valvula.

Primero se mirara a una unica camara de trabajo de un accionador. La figura 1 muestra un ejemplo de una unica camara de trabajo 19 (camara A) de un accionador hidraulico digital, y las interfaces de control 9 (AP-A) y 10 (BP-A) que controlan los mismos. Cuando la interfaz de control AP-A es controlada para que este completamente abierta y la interfaz de control BP-A es controlada para que este completamente cerrada, la presion de la llnea de AP 3 es efectiva en la camara 19. De manera correspondiente, cuando la interfaz de control AP-A es controlada para que este completamente cerrada y la interfaz de control BP-A es controlada para que este completamente abierta, la presion de la llnea de BP 4 es efectiva en la camara 19. Las presiones se cambian de la manera presentada anteriormente en un estado de funcionamiento normal, significativamente independientemente de la velocidad del cambio en el volumen de la camara de trabajo 19, porque las capacidades maximas de rendimiento de las interfaces de control se dimensionan para que sean mas grandes en relation al volumen de la camara de trabajo.

Si unicamente hay disponible una valvula para cada interfaz de control y la valvula de cualquier interfaz de control se atasca en la posicion de cierre, por consiguiente la interfaz de control entera se atascara en la posicion de cierre. Asl, cuando por ejemplo la interfaz de control AP-A se atasca en la posicion de cierre completo, la interfaz de control BP-A se debe mantener continuamente abierta durante el movimiento del accionador, para impedir un excesivo aumento en la presion, o cavitacion, en la camara de trabajo. Asl, esos controles deben cortarse del vector de control del controlador, en el que la camara A es controlada a la presion de la llnea de AP; en otras palabras, esos controles en los que el estado de la camara A es uno (1). Un ejemplo del vector de control se muestra en la figura 2, en donde se hace referencia a una unica fila o columna. El vector de control contiene information sobre las diferentes combinaciones de control de las valvulas disponibles, asl como el orden de uso entre dichas combinaciones de control. El orden de uso se determina de tal manera que las sumas de fuerzas generadas por medio de las combinaciones de control estan en el orden de magnitud.

De manera correspondiente, cuando la interfaz de control BP-A se atasca en la posicion de cierre completo, la interfaz de control AP-A debe ser mantenida continuamente abierta durante el movimiento del accionador. Asl, esos controles deben cortarse el vector de control del controlador, en el que la camara A es controlada a la presion de la llnea de BP; en otras palabras, esos controles en los que el estado de la camara de trabajo A es cero (0).

Si la interfaz de control BP-A se atasca en la posicion de apertura completa, la presion de la llnea de BP se puede generar a la camara A controlando la interfaz de control AP-A para que se cierre. Como alternativa, la interfaz de control AP-A es controlada para que este abierta, en donde un flujo de cortocircuito de medio presurizado fluira a traves de las interfaces de control AP-A y BP-A directamente desde la llnea de AP a la llnea de BP. La presion de la camara A se establecera asl aproximadamente a medio camino entre la presion de la llnea de AP y la presion de la llnea de BP, que tambien se puede llamar presion intermedia. Asl, la suma de fuerzas generada por cada combinacion de control en los vectores de control se recalcula sobre la base de las areas efectivas y las presiones de las llneas de AP y BP, y simultaneamente se supone que dicha presion intermedia es efectiva en la camara A siempre cuando su estado es uno (1). El vector de control se redispone de modo que las sumas de fuerzas generadas correspondientes estan en el orden de magnitud.

Como alternativa, si la interfaz de control AP-A se atasca en la posicion de apertura completa, es posible generar, en la camara A, ya sea la presion de la llnea de AP al controlar la interfaz de control BP-A para que este cerrada, o dicha presion intermedia al controlar la interfaz de control BP-A para que este abierta, en donde de nuevo ocurre un flujo de cortocircuito correspondiente. Al redisponer el vector de control y recalcular las sumas de fuerzas generadas, se supone que dicha presion intermedia es efectiva en la camara A siempre cuando su estado es cero (0).

Si la interfaz de control conectada al circuito de BP, o su valvula, se atasca en la posicion de cierre, esto unicamente afectara a la capacidad de la camara de trabajo conectada a dicha interfaz de control para lograr el nivel de presion del circuito de BP durante el movimiento del accionador. De manera correspondiente, si la interfaz de control conectada al circuito de AP, o su valvula, se atasca en la posicion de cierre, esto unicamente afectara a la capacidad de la camara de trabajo conectada a dicha interfaz de control para lograr el nivel de presion del circuito de AP. A continuacion se mirara a un ejemplo en el que una o mas interfaces de control comprenden dos o mas valvulas acopladas en paralelo, que juntas hacen pasar el flujo volumetrico total deseado, dependiendo de la capacidad de rendimiento de cada valvula. En cada valvula, la perdida de presion se mantiene tan pequena como sea posible. Las valvulas son diferentes o, por ejemplo, valvulas de activacion/desactivacion identicas. Si alguna valvula en cualquier interfaz de control se atasca en la posicion de cierre de modo que todavla quedan valvulas funcionales en dicha interfaz de control, este fallo en el estado estatico del accionador no tendra efecto significativo en la componente de fuerza generada por dicha camara de trabajo y de ese modo tampoco en la suma de fuerzas generada por el accionador. El estado estatico se refiere a un estado en el que el accionador no se esta moviendo y el control del accionador permanece constante con respecto a tiempo, pero el control del accionador todavla puede ser cualquiera de los controles discretos del accionador.

En la situacion descrita anteriormente, la presion de la llnea de AP o BP se generara en la camara de trabajo de la manera pretendida. Ahora, sin embargo, la interfaz de control, en la que una valvula se atasca en la posicion de cierre, es mas estrecha que las otras interfaces de control, y su capacidad de rendimiento se reduce en comparacion con la situacion antes del fallo; en otras palabras, se reduce el flujo volumetrico con la misma diferencia de presion. Debido a esto, puede ocurrir inercia en los cambios de estado de dicha camara de trabajo comparado con los de las otras camaras de trabajo, dicha inercia debe tenerse en cuenta. Debido al fallo, el nivel de presion tambien se establece mas lentamente al valor deseado, y ademas, cuando la camara de trabajo se expande, la presion de la camara de trabajo permanece menor que lo normal por debajo del objetivo de nivel de presion, y cuando la camara de trabajo se contrae, la presion de la camara de trabajo aumenta mas alta que lo normal por encima del objetivo de nivel de presion. La desviacion de presion respecto al objetivo de presion dependera de la velocidad del cambio en el volumen de la camara de trabajo y la proporcion de la capacidad de rendimiento de la valvula defectuosa en relacion a la capacidad de rendimiento de toda la interfaz de control. Debido a esto, la velocidad maxima del accionador debe limitarse de modo que las desviaciones en la presion de la camara de trabajo que ocurren durante el movimiento no se vuelvan tan altas que las sumas de fuerzas generadas por los controles ya no esten en el orden de magnitud.

Si la interfaz de control conectada al circuito de BP se atasca en la posicion de apertura, esto no afectara a la capacidad de la respectiva camara de trabajo para lograr el nivel de presion del circuito de BP. De manera correspondiente, si la interfaz de control conectada al circuito de AP se atasca en la posicion de apertura, esto no afectara a la capacidad de la camara de trabajo para lograr el nivel de presion del circuito de AP.

Si cualquier valvula de la interfaz de control se atasca en la posicion de apertura y se debe cerrar la interfaz de control, esto tendra un efecto claro sobre la componente de fuerza generada por la camara de trabajo y la suma de fuerzas generada por el accionador. Si la camara de trabajo debe tener la presion del circuito de BP y, por ejemplo, una valvula de la interfaz de control AP-A se atasca en la posicion de apertura, ocurrira un flujo de cortocircuito entre las interfaces de control AP-A y BP-A desde la llnea de AP a la llnea de BP. Asl, la presion intermedia que queda en la camara de trabajo es claramente mas alta que la presion del circuito de BP. De manera correspondiente, cuando la camara de trabajo debe tener la presion del circuito de AP y, por ejemplo, una valvula de la interfaz de control BP-A se atasca en la posicion de cierre, en la camara de trabajo quedara una presion intermedia que es claramente menor que la presion AP.

En el estado estatico del accionador, la presion de la camara de trabajo seguira la ecuacion:

en la que:

A^ap= suma de las areas de rendimiento de las valvulas abiertas en la interfaz de control de la llnea de AP A^bp= suma de las areas de rendimiento de las valvulas abiertas en la interfaz de control de la llnea de BP La capacidad de rendimiento de una valvula es proporcional a su area de rendimiento. En caso de un accionador de cuatro camaras, se ha encontrado mediante calculos que la desviacion de la presion intermedia respecto el objetivo de presion (AP/BP) es relativamente pequena, si menos de 1/3 de la suma de las areas de rendimiento de las valvulas de la interfaz de control se atascan en la posicion ya sea de apertura o de cierre. Asl, el orden de magnitud de las sumas de fuerzas generadas por el accionador no cambiara en el estado estatico, en donde no es necesario cambiar el orden de los controles en el vector de control del controlador, y en caso de fallo, es posible usar el vector de control original.

Anteriormente, se ha supuesto que unicamente una valvula queda defectuosa de una en una, porque el fallo simultaneo de varias valvulas es muy improbable. Cuando varias valvulas fallan al mismo tiempo, se hace un intento de trabar el accionador y el mecanismo controlado pero en posicion, si es posible. Ademas, se ha supuesto que las posiciones realizadas de las valvulas se pueden verificar, por ejemplo, por medio de sensores y que es posible comparar si la posicion realizada corresponde a la posicion segun un valor de control dado por un controlador. La posicion dependera del estado de la valvula. Sobre la base de la comparacion, es posible concluir que valvula esta defectuosa y en que posicion se ha atascado. Sobre la base de esto, es posible realizar los cambios necesarios en el controlador para compensar el fallo y para usar el controlador para controlar las valvulas que todavla estan en condiciones de trabajo.

A continuacion se presentara el funcionamiento del algoritmo relacionado con un fallo por medio de un ejemplo. Los mismos principios tambien se aplican en caso de un accionador en el que el numero de camaras es distinto de cuatro y/o hay disponibles varios niveles de presion para cada camara de trabajo. En las interfaces de control, se pueden aplicar numeros variables de valvulas, y las capacidades relativas de rendimiento de las valvulas pueden variar.

En este ejemplo, el accionador presentado anteriormente de cilindro de cuatro camaras se usa en el sistema hidraulico digital de presion dual presentado. Ambas interfaces de control de cada camara de trabajo comprenden, por ejemplo, dos valvulas con diferentes capacidades de rendimiento. Dentro de la interfaz de control, se puede aplicar cualquier division relativa entre las capacidades de rendimiento o areas de rendimiento de valvula, por ejemplo 1:1 o 20:1. En consecuencia, hay un total de 16 valvulas en las interfaces de control, y los estados y posiciones de las valvulas que controlan el accionador se pueden dar sin ambiguedad con un numero 16 o numero binario de 16 bits, por ejemplo en el orden AP-A, BP-A, AP-B, BP-B, AP-C, BP-C, AP-D, BP-D, en donde el numero binario se vuelve 0000000000000000 o 111111111111 1111 y todos los numeros binarios entre estos. Es razonable disponer la significancia entre los bits del numero binario de tal manera que la significancia sea proporcional al tamano de la camara de trabajo correspondiente a cada interfaz de control; en otras palabras, los bits que denotan a las interfaces de control de la camara de trabajo con el area efectiva mas grande tienen la significancia mas grande. Lo mismo se aplica a las valvulas de la misma interfaz de control, en donde se tiene en cuenta la capacidad de rendimiento. La significancia entre los bits de las interfaces de control de las llneas de AP y BP conectadas a la misma camara de trabajo es una cuestion de acuerdo.

Si todas las valvulas siguen sus respectivos valores de control (abierto/cerrado, activo/inactivo, 1/0) dentro de los tiempos de respuesta establecidos, se puede hacer que el valor real tras un retraso del tiempo de respuesta corresponda al valor de control. En consecuencia, la diferencia entre los numeros binarios correspondientes al valor real y el valor de control es asl cero.

Cuando cualquier valor real de la interfaz de control, esto es, el estado de valvula, se desvla del valor de control de manera suficientemente clara, se puede declarar que hay una situacion de fallo. La valvula defectuosa y el tipo de fallo (atasco en la posicion de apertura o de cierre) se puede se puede concluir del valor de la diferencia entre los numeros binarios correspondientes al valor de control y el valor real, porque la significancia del bit que controla la valvula determina la magnitud de dicha diferencia. En un sistema de 16 bits, el bit menos significativo, esto es, la valvula mas pequena de la interfaz de control BP-D, da, en una situacion de fallo, una diferencia /- 1 (+/- 20), dependiendo del tipo de fallo. De manera correspondiente, el bit mas significativo dara la diferencia /- 32768 (+/-215), dependiendo del tipo de fallo.

Cuando los bits del numero binario representan la interfaz de control secuencia AP-A, BP-A, AP-B, BP-B, AP-C, BP-C, AP-D, BP-D, y la diferencia entre el valor de control y el valor real es, por ejemplo, 8192 (213), se puede encontrar que la valvula mas grande de la interfaz de control BP-A esta atascada en la posicion de apertura. A partir del Indice de la diferencia, se puede concluir que es el decimotercer bit en cuestion, ya que la indizacion empieza desde cero; en otras palabras, el decimocuarto bit del numero binario, contando desde la derecha, y el bit mas significativo de la interfaz de control BP-A. A partir del signo de la diferencia se puede concluir que la valvula esta atascada en la posicion de apertura, porque el numero binario del valor real de las valvulas, del que se sustrae el numero binario del valor de pauta, es mayor que el numero binario del valor de pauta.

Ahora, se sabe que la relacion de las valvulas de la interfaz de control BP-A es, por ejemplo, 20:1 y la valvula mas grande esta atascada en la posicion de apertura. Ademas, se sabe que las capacidades de rendimiento de la interfaz de control APA son, en el estado normal, por ejemplo identicas a la interfaz de control BP-A, de modo que la maxima capacidad de rendimiento de la interfaz de control AP-A se puede representar por el Indice 21 (20+1). Asl, la presion del circuito de BP siempre se genera en la camara de trabajo cuando el estado de la camara de trabajo es el estado 0, pero cuando el estado de la camara de trabajo se cambia al estado 1, la camara de trabajo no lograra la presion del circuito de AP y en la camara de trabajo permanecera la presion intermedia, porque hay una valvula atascada en la interfaz de control BP-A.

Dicha presion intermedia en el estado estatico del accionador se puede calcular de la ecuacion presentada anteriormente, en la que la relacion Aap/Abp corresponde ahora a la relacion 21/20. Al utilizar la presion intermedia, es posible calcular todas las componentes de fuerza y sumas de fuerzas a generar para todas las situaciones de fallo en las que una valvula se atasca en la posicion de apertura.

La Tabla B muestra los estados de las camaras de trabajo de los accionadores y la magnitud de la suma de fuerzas (No_err) en caso de que no haya fallos en el sistema. A partir de la suma de fuerzas recalculada (BP-A abierta), se ve que en el estado estatico, las sumas de fuerzas ya no esta en un orden de magnitud, y por lo tanto, el vector de control que describe los controles (dec(0...15)) se debe redisponer como se muestra en tabla C, de modo que la suma de fuerzas este en el orden de magnitud, que puede ser utilizado por el controlador.

Tabla B

Tabla C

El algoritmo presentado anteriormente tambien se puede aplicar cuando varios circuitos de carga con diferentes niveles de presion se pueden acoplar a una unica camara de trabajo. Asl, se cortan dichos controles, en los que los estados reales de las interfaces de control no corresponden, debido a valvulas defectuosas, a los estados deseados, particularmente si el fallo tiene un efecto significativo en la suma de fuerzas generada por el accionador con dicho control.

Aplicacion del accionador hidraulico digital

Ahora se trataran los usos del accionador hidraulico digital en un sistema hidraulico digital. El accionador es particularmente un cilindro digital, y sus aplicaciones incluyen diversas aplicaciones de motobomba, carga de energla, convertidor de presion, convertidor de energla, impulsor giratorio e impulsor rotatorio.

El ejemplo de la figura 1 comprende un cilindro digital cuyo funcionamiento ya se ha tratado anteriormente. El ejemplo de la figura 9 del impulsor giratorio comprende un dispositivo giratorio que convierte un movimiento lineal en un movimiento rotatorio, en el que se aplica el sistema presentado anteriormente. En la construccion y montaje del dispositivo giratorio, es posible usar miembros correspondientes de dispositivos giratorios conocido como tal. El ejemplo de la figura 10 en un impulsor rotatorio comprende una motobomba hidraulica digital, en la que se aplican varios accionadores de cilindro y que se puede aplicar como motor hidraulico digital y como bomba en un sistema hidraulico digital. El ejemplo de la figura l1 comprende un convertidor de presion hidraulica digital 112 (DPCU), en el que se aplican varios cilindros digitales, y en las figuras 15 y 16 se muestran otros ejemplos. El ejemplo de la figura 12 comprende un convertidor de presion de bomba hidraulica digital 122 (DPCPU), en el que se aplican varios cilindros digitales y que se conectan por medio de una parte movil 123 a una fuente de energla externa, y otros ejemplos se muestran en las figuras 14 y 17.

Dispositivo giratorio hidraulico digital

En el ejemplo de la figura 9, un dispositivo giratorio 41 comprende, por ejemplo, cremalleras de engranaje 45 y 46 que hacen rotar una rueda dentada giratoria 47. El dispositivo giratorio se monta, por ejemplo, en el bastidor de una maquina de trabajo movible, y la rueda dentada giratoria se usa para hacer rotar la cabina o grua de una maquina de trabajo. Tlpicamente, el dispositivo giratorio comprende medios que convierten un movimiento lineal en un movimiento rotatorio. El movimiento lineal se implementa por medio de un cilindro, y el movimiento rotatorio por medio de un arbol rotatorio.

El dispositivo giratorio controlado por momento se implementa tlpicamente con dos accionadores 42 y 43 que se acoplan en paralelo, cada accionador en su propia cremallera de engranaje 45 o 46 de tal manera que los vastagos de piston de los accionadores apuntan en la misma direccion, en donde cuando un accionador se vuelve mas largo, el otro se vuelve mas corto. Las cremalleras de engranaje se montan en paralelo en el lado de los accionadores para impulsar la rueda dentada giratoria 47 en dos lados. En este caso, los bastidores del accionador se estan moviendo, y el vastago de piston se monta de manera estacionaria en el dispositivo giratorio y de ese modo, por ejemplo, en el bastidor de una maquina de trabajo. La fuerza total maxima de los accionadores efectuada por ellos en la rueda dentada giratoria 47 es, en este caso, la suma de la fuerza total de traccion maxima de un accionador y la fuerza total de propulsion maxima del otro accionador. El momento total M^totdel dispositivo giratorio en cada sentido de rotacion esta as! en su maximo y se forma como suma de la fuerza total maxima de cada accionador y los productos calculados del radio R de la rueda dentada giratoria 47

El dispositivo giratorio 41 es controlado por un circuito de control, en el que se proporciona una interfaz de control para cada camara de trabajo del accionador del dispositivo giratorio, por medio de la que la interfaz de control dicha camara de trabajo se puede conectar ya sea a la baja presion BP o la alta presion AP. El circuito de control corresponde, en su funcionalidad, al circuito de control 40 de la figura 1, e implementa las conexiones necesarias para el medio presurizado.

El numero de los estados del dispositivo giratorio depende de la estructura de los accionadores 45, 46. Hay disponibles varias alternativas para proporcionar el control de los accionadores. En caso de varios accionadores, el numero de los estados del dispositivo giratorio 41 se forma como funcion de energla ab de modo que el numero de base a es el numero de estados de los controles del accionador, por ejemplo a = 2ⁿ, en el que n es el numero de camaras de trabajo, y el Indice b es el numero de accionadores. En caso de dos accionadores con dos camaras de trabajo cada uno, el numero de estados es 16, y en caso de dos accionadores con cuatro camaras de trabajo cada uno, el numero de estados es 256. Cada estado corresponde a un valor de momento M^{to t}. Cada accionador es controlado con un circuito de control segun la figura 1. Si los accionadores 45, 46 son iguales o tienen camaras de trabajo de areas efectivas iguales, el numero total de estados diferentes permanecera mas pequeno debido a estados redundantes, y se lograra el mismo momento total M^toten dos o mas estados. En el ejemplo de la figura 9, los accionadores son identicos y cada uno comprende cuatro camaras de trabajo de la misma manera que el accionador 23 de la figura 1, en donde cada accionador se puede usar para producir 16 diferentes fuerzas utilizando una gradacion igual. Asl, el numero total de estados es 31, de los calculos cuando se omiten los estados redundantes. El numero de estados es mas pequeno por un estado que el numero total de estados de dos accionadores, porque el estado que produce el momento cero es comun a ambos accionadores. El dispositivo giratorio tiene al menos un estado que produce un momento cero cuando las fuerzas totales de los accionadores se superan entre si, asl como ajuste de momento en 15 etapas en un sentido de rotacion y un ajuste de momento de 15 etapas en sentido opuesto de rotacion. Las areas efectivas de las camaras de trabajo de los accionadores se codifican preferiblemente mediante coeficientes de ponderacion binarios, para proporcionar un control de momento graduado uniformemente. Adicionalmente, los cilindros son preferiblemente identicos.

Los estados seleccionados para producir un momento cero pueden ser cualquier estado de los accionadores, por ejemplo los estados de fuerzas extremas positivas o negativas, o cualquier estado entre los mismos, por ejemplo desde el intervalo media. Cuando los accionadores son iguales en dimensiones, el dispositivo giratorio produce un momento cero cada vez que los controles de los accionadores son iguales entre si. En otras palabras, la tension inicial producida por el control cero se puede producir en cualesquiera estados del accionador (en caso de accionadores con cuatro camaras, por niveles de fuerza 0 a 15). Asl, las etapas de momento tambien se pueden crear de muchas maneras, por ejemplo de tal manera que un accionador trabaja en un intervalo saturado y el otro en su intervalo lineal cuando el ajuste de momento se hace en un sentido de rotacion, y de manera correspondiente inversamente cuando el ajuste de momento se hace en el otro primer sentido de rotacion (veanse las alternativas 1 y 2 en la tabla A).

Tabla A

Si los estados que producen un momento cero se seleccionan del intervalo medio de los estados del accionador, las etapas de momento tambien se pueden crear cambiando los estados de los accionadores de manera alterna, de modo que ambos accionadores pueden funcionar en su intervalo lineal dentro del intervalo de momentos entero (vease la alternativo 3 en la tabla A). Funcionar en el intervalo lineal de los accionadores significa que el valor de control discreto no saturado del accionador no supera el valor maximo del valor de control discreto saturado (u%) dentro del intervalo de indizacion de los estados de los accionadores. Cambiar el estado tambien se puede hacer en turnos de dos o tres etapas (vease la alternativa 4 en la tabla A) o utilizando cualquier otro algoritmo de permutacion, ejemplos que se dan en la Tabla A adjunta.

Para el control del dispositivo giratorio, es posible usar el controlador 24 mostrado en las figuras 5, 6 o 7, cuyo convertidor de control 32 se expande de tal manera que se puede usar para controlar un suficiente numero de interfaces de control que determinan los estados de los accionadores. La tabla mostrada en la figura 2 se expande de tal manera que el numero de Indices corresponde a diversos valores de control, y los valores de columnas se anaden para representar estados diferentes del sistema, y se aumenta el numero binario que indica los estados binarios de las camaras (en otras palabras, el numero de numeros binarios que indican los controles binarios de los accionadores aumenta segun el numero de accionadores), y las columnas que representan los estados binarios de interfaces de control aumentan debido a un aumento en las interfaces de control. Ademas, es posible utilizar un valor establecido 31 que es proporcional al momento a generar y el sentido de rotacion del dispositivo giratorio. Como el momento a generar es directamente proporcional a la suma de fuerzas generada por los accionadores (el coeficiente es el radio R de la rueda dentada giratoria 47), todavla es posible usar, para el control, el valor de control 31 de la fuerza efectiva, descrito en conexion con la figura 5, que se procesara como se presenta en conexion con la figura 8. El sistema controlado por aceleracion se puede hacer controlado por velocidad como se ha presentado anteriormente.

El controlador del dispositivo giratorio tambien se puede implementar por medio de dos controladores paralelos mostrados en la figura 5, 6 o 7, en donde cada controlador controla un unico accionador 42 o 43. Esto es posible, porque los efectos de fuerza generados por los accionadores 45 y 56 tambien estan separados. El valor de control relativo 31 para la fuerza efectiva (aceleracion), el valor de control 28 para la velocidad, o el valor de control 26 para la posicion se pueden introducir como entradas en ambos convertidores que computaran las posiciones correspondientes a la aceleracion deseada para las valvulas de control de cada accionador segun la situacion de carga.

Como se ha descrito anteriormente, se consume energla en conexion con cambios de estado. Es caracterlstico al control de los accionadores que esta entre el valor de control correspondiente al punto cero de aceleracion y los valores de control mas cercanos a este en cada lado donde tienen lugar los cambios de estado mas estables. Como la tension inicial de los accionadores de cilindro se puede seleccionar libremente en este sistema del dispositivo giratorio, este tipo de valor de control para el momento cero se puede seleccionar de la tabla de estados del sistema, de dicho valor de control los cambios de estado mas cercanos en ambas direcciones consumen tan poca energla como sea posible. Dichos controles incluyen, por ejemplo en caso de un accionador con cuatro camaras, los valores de control 10 y 5. En el sistema del dispositivo giratorio, tambien es posible aplicar la precompresion y preexpansion presentadas anteriormente, particularmente por medio de retrasos controlados por el controlador.

Motobomba hidraulica digital y dispositivo rotatorio

A continuation se tratara una motobomba hidraulica digital que se puede aplicar tanto como bomba hidraulica digital como motor en un sistema hidraulico digital. El sistema descrito anteriormente tambien se puede aplicar en la motobomba.

En el ejemplo de la figura 10, una motobomba hidraulica digital 49 comprende, por ejemplo, cuatro accionadores 50, 51, 52 y 53, que son cilindros y hacen rotar un miembro viratorio 54 que tiene un eje de rotation X y al que se conectan los accionadores a una distancia desde el eje de rotacion, en donde los accionadores combinados pueden generar un momento total Mtot efectivo en el miembro viratorio 54 (o zarandeador 54) e impulsar la carga. Preferiblemente, todos los accionadores tienen un punto de conexion comun 55. El dispositivo 49 se monta, por ejemplo en uso en motor giratorio, en el bastidor de una maquina de trabajo movible, y se usa para hacer rotar la cabina o grua de una maquina de trabajo. De manera correspondiente, en uso en bomba, el miembro viratorio se conecta, por ejemplo, al arbol de impulsion. Tlpicamente, el dispositivo se aplica en impulsores de rotacion de bomba, motor o motobomba, en los que el miembro viratorio (54) convierte un movimiento lineal en un movimiento rotatorio.

El impulsor de motobomba con un camino continuamente rotatorio se obtiene, de la manera mas simple, acoplando dos accionadores controlados por fuerza al miembro viratorio 54 de manera excentrica usando un cambio de fase de 90°. Particularmente, el accionador descrito anteriormente y mostrado en la figura 1 se usa como accionador. Sin embargo, como el accionador es asimetrico con respecto a sus fuerzas maximas, esto es, la fuerza maxima es mas fuerte en la direction positiva (propulsion) que en la direction negativa (traction), el momento total maximo Mtot se volvera relativamente asimetrico, esto es, el momento maximo logrado en un sentido de rotacion sera diferente que en el otro sentido de rotacion. Por esta razon, es justificable conectar al menos tres accionadores de cilindro de manera excentrica con un cambio de fase de 120° al miembro viratorio 54, para hacer el momento total maximo mas simetrico. Ademas, un maximo mas simetrico del momento en ambas direcciones se produce acoplando cuatro cilindros con un cambio de fase de 90° al miembro viratorio 54, como se muestra en la figura 10.

En la motobomba digital 49 y el sistema que controla la misma, que incluye el controlador, la optimization de ahorro de energla de las tensiones iniciales se puede implementar aplicando los mismos principios que en el dispositivo giratorio tratado anteriormente con referencia a la figura 9.

Los puntos de conexion de los accionadores se refieren a los puntos de conexion articulados 56, 57, 58, y 59 (J1, J2, J3, y J4, respectivamente), por medio de los que los accionadores se conectan al bastidor 60 del dispositivo. Como se muestra en la figura, cada accionador se conecta 30 entre un punto efectivo articulado excentrico comun P (punto de conexion 55) y los puntos de conexion articulados mencionados anteriormente colocados regularmente con respecto al clrculo de giro. Las distancias entre los puntos de conexion y el centro de rotacion O (eje de rotacion X) son iguales entre si, as! como los angulos de cambio de fase vistos cruzando el clrculo de giro. En el caso de ejemplo, se usan cuatro accionadores de cilindro con angulos de cambio de fase de 90°.

El vector de radio del zarandeador se refiere a un vector R dibujado desde el centro de rotacion O del zarandeador al punto de conexion excentrico comun P de los accionadores. Vectores de palanca efectiva r1, r2, r3 y r4 (vector rn) de los accionadores se refieren al vector mas corto dibujado desde el centro de rotacion 5 del zarandeador a la llnea recta de la fuerza efectiva del accionador, dicho vector esta as! en un angulo recto con la llnea recta de la fuerza efectiva generada por el accionador. En la figura 10, los accionadores 50 y 52 estan en sus extremos inferiores y superiores de carrera, de modo que sus vectores de palanca efectiva son vectores cero.

Se acepta que la longitud del vector de palanca efectiva del accionador es positiva cuando la fuerza de propulsion o positiva generada por el accionador genera un momento positivo (sentido antihorario) al zarandeador. Asl, el punto de conexion P esta en la mitad derecha del clrculo de rotacion, visto desde el punto de conexion del accionador. De manera correspondiente, se acepta que la longitud del vector de palanca efectiva es negativa cuando la fuerza positiva (de propulsion) generada por el accionador correspondiente a el genera un momento negativo al zarandeador (sentido horario). Asi, el punto de conexion P esta en la mitad izquierda del circulo de rotacion, visto desde el punto de conexion del accionador. En este documento, la palanca efectiva del accionador se refiere a la longitud del vector de palanca efectiva. Los accionadores 50, 51, 52, y 53 generan los unicos vectores de fuerza F1, F2, F3, y F4, respectivamente. La direction de los vectores de fuerza es paralela a un segmento de linea dibujado desde el punto de conexion de cada accionador el punto efectivo P del zarandeador, sin embargo, de tal manera que la direccion de la fuerza efectiva puede ser propulsora o tractora, esto es, positiva o negativa. El vector resultante de fuerza Ftot se refiere al vector suma de los vectores de fuerza generados por los unicos accionadores.

La palanca efectiva relativa del accionador se refiere a la relation entre la longitud del vector de palanca efectiva y el valor maximo de la longitud del vector de palanca efectiva. Asi, para la palanca efectiva relativa de cada accionador, se aplica lo siguiente:

El valor numerico de la variable se vuelve cero cada vez que el accionador esta en sus centros muertos y recibe el valor 1 o -1 cuando la palanca esta en su longitud maxima en la direccion positiva o negativa. Las longitudes maximas de la palanca ocurren en puntos donde la linea recta de action de la fuerza del accionador toca la tangente del circulo de rotacion del punto efectivo P del zarandeador.

A continuation se tratara el sistema de control de la motobomba digital y su principio de funcionamiento.

El control relativo cada unico accionador del dispositivo es generado al multiplicar el control relativo del momento del impulsor giratorio por la longitud de la palanca efectiva relativa de dicho accionador. En el caso de ejemplo, la intention es producir un momento positivo; en otras palabras, la direccion del momento es en sentido antihorario. Cuando los dos accionadores 50 y 52 colocados opuestos entre si estan en sus centros muertos, los otros dos accionadores 51 y 53 se colocan simetricamente como imagenes reflejadas entre si con respecto al vector de radio R del zarandeador. Asi, las palancas efectivas r1 y r3 de los accionadores 50 y 52 tambien se reflejan con respecto al vector de radio R; esto es, son iguales en longitud pero tienen signos opuestos, en donde los vectores de fuerza F1 y F3 se escalan igualmente largos relativamente entre si y se colocan simetricamente con respecto a un segmento de linea vertical dibujado a traves del punto P. Asi, el vector de fuerza resultante Ftot se vuelve vertical, esto es, se coloca en un angulo recto con el vector de radio R del zarandeador. En los centros muertos de los accionadores 51 y 53, los vectores de fuerza de dichos accionadores son vectores cero, porque sus palancas efectivas r2 y r4 son vectores cero, segun lo cual los vectores de fuerza se escalan.

A medio camino entre los centros muertos, los accionadores 50 y 53 se colocan simetricamente entre si con respecto al vector de radio R, asi como los accionadores 51 y 52. Asi, las palancas efectivas r2 y r3 tambien se reflejan con respecto al vector de radio R, asi como los vectores de palanca r1 y r4. Asi, el vector suma de las fuerzas F2 y F3 se colocan en paralelo con la tangente del circulo de rotacion del punto efectivo P del zarandeador 35, asi como el vector suma de las fuerzas F1, y F4. Asi, el vector resultante total tambien es paralelo a la tangente del circulo de rotacion del punto P, esto es, en un angulo recto con el vector de radio del zarandeador.

Se encuentra que el vector resultante de fuerza Ftot esta en un angulo recto con el vector de radio R del zarandeador tambien con otros valores de rotacion. A partir de esto, se puede concluir que en este metodo de escalado, el vector de fuerza resultante Ftot siempre esta en un angulo casi recto con el vector de radio R, en tanto que los accionadores funcionen en sus intervalos lineales.

La motobomba hidraulica digital se puede usar en un sistema hidraulico digital asi como, con limitaciones, en un sistema hidraulico convencional, como impulsor de motor controlado por momento o por fuerza que tambien devuelve la energia cinetica vinculada al mecanismo nuevamente al sistema hidraulico, si es necesario.

La motobomba hidraulica digital tambien se puede usar como bomba hidraulica controlada por pQ (p = presion, Q = flujo volumetrico), si es necesario. Asi, el momento generado por los cilindros se establece en sentido opuesto al momento dirigido sobre el mecanismo desde el exterior. La utilization de las areas efectivas de los cilindros hace posible controlar la presion, el flujo volumetrico, el momento de impulsion y el control de salida. En el uso en bomba, el flujo volumetrico y la presion maxima generados por el dispositivo son proporcionales a la superficie efectiva y de ese modo tambien al momento de impulsion. De esta manera, es posible optimizar, por ejemplo, el intervalo de funcionamiento del motor de combustion que impulsa la bomba, para lograr la mejor eficiencia posible.

Si la motobomba se usa como bomba hidraulica en el sistema hidraulico digital, esto puede requerir que la motobomba tambien sea conectada a un tanque por medio de interfaces de control separadas. Las figuras 13a y 13b ilustran la conexion de una motobomba digital a un sistema de, por ejemplo, la figura 11. La conexion se hace a subcircuitos o circuitos de carga.

La optimization de ahorro de energla de las tensiones iniciales se puede implementar de la misma manera que en el dispositivo giratorio presentado anteriormente. Cuando se controla la motobomba digital, la combination de controles de los accionadores para producir un momento cero se puede seleccionar cualquier valor de control con los que la suma de momentos calculados para cada accionador es cero. De esta manera, este tipo de intervalo de control de cada accionador, en el que el accionador realiza el numero de cambios de estado mas grande, se puede seleccionar de la manera deseada. El control de cuatro accionadores en la motobomba digital se puede implementar, entre otras cosas, convirtiendo el control relativo del momento directamente al control de los accionadores, pero de tal manera que el signo del control se cambia en los extremos superior e inferior de la carrera del accionador. De esta manera, se tiene cuidado de que el control relativo positivo del momento genere production de fuerza a un unico accionador, produciendo un momento positivo en el mecanismo. Los cuatro accionadores tambien pueden ser controlados de tal manera que el control relativo del momento se escala al control del accionador, en proportion a la palanca relativa efectiva del accionador. Ademas, la variable usada para escalar el control de un unico accionador tambien puede ser otra variable calculada sobre la base de la rotation, por medio de dicha variable la intention es mantener el vector suma de las fuerzas producidas por los cilindros en un angulo recto con el vector de radio del zarandeador.

Convertidor de presion hidraulica digital y convertidor de presion de bomba

La figura 11 muestra un convertidor de presion hidraulica digital 112. Una implementation simple del convertidor de presion se muestra en la figura 15, en la que el convertidor de presion comprende dos accionadores de cilindro de doble efecto y doble camara conectados entre si opuestos entre si, en donde los vastagos de piston estan interenlazados. Los vastagos de piston combinados constituyen la parte movil. Preferiblemente, los revestimientos exteriores de los accionadores de cilindro tambien estar interenlazados. Las relaciones de las areas efectivas de las camaras de trabajo se seleccionan de la siguiente manera: A1:B1:A2:B2 = 2:1:2:1. El convertidor de presion de la figura 16 comprende dos accionadores de cilindro de doble efecto y cuatro camaras, en los que las relaciones de las areas efectivas de las camaras de trabajo se seleccionan de la siguiente manera: A1:B1:C1:D1 = A2:B2:C2:D2 = 8:4:2:1. Segun el ejemplo de la figura 14, los accionadores de cilindro tambien pueden ser diferentes, en donde las relaciones de las areas efectivas de las camaras de trabajo tambien se pueden seleccionar de la siguiente manera: A1:B1:A2:B2 = 8:4:2:1. Cada accionador de cilindro del convertidor de presion puede consistir de una unidad de una o multiples camaras, cuyas partes moviles se interenlazan mecanicamente ya sea en paralelo o de manera anidada de modo que se realizan las areas efectivas deseadas y sus relaciones mutuas. Preferiblemente, las etapas de fuerza generadas son iguales en tamano.

El convertidor de presion funciona de tal manera que el primer accionador se usa para seleccionar una suma de fuerzas adecuada a generar dentro del intervalo de las presiones de los circuitos de carga acoplados al accionador, mediante dicha suma de fuerzas es posible realizar la trasferencia de energla necesaria entre los circuitos de carga acoplados al segundo accionador, y con bajas perdidas de energla. El primer accionador ejerce dicha suma de fuerzas a la parte movil de dicho accionador, y el segundo accionador genera una fuerza en sentido opuesto pero con una magnitud ligeramente diferente a la parte movil de dicho accionador, que permite el movimiento del piston. Cuando la parte movil del accionador se aproxima al extremo del accionador, los acoplamientos de los circuitos de carga se intercambian entre si de modo que se cambia la direction de movimiento pero se mantienen las relaciones de conversion entre los circuitos de carga. En el ejemplo de la figura 16, el circuito de carga AP1 se acopla en lugar del circuito de carga AP1a, y el circuito de carga BP1 se acopla en lugar del circuito de carga BP1a. El intercambio se lleva a cabo por medio de una interfaz de control separada y su valvula o valvulas de control. En la figura 15, la referencia P1 corresponde al circuito AP1, la referencia P2 corresponde al circuito AP2, y la referencia P1a corresponde al circuito AP1a, la referencia P2a corresponde al circuito AP2a.

A continuation se tratara un ejemplo de una situation de control, en la que se usa el convertidor de presion para realizar una conversion que quintuplica la presion. Se supone que el convertidor de presion aplica dos accionadores de cilindro presentados acoplados opuestos entre si y que tienen cuatro cilindros. Se supone que la presion del circuito BP1 acoplado al primer accionador es aproximadamente 0 MPa y la presion del circuito AP1 es aproximadamente 10 MPa. Se supone que la presion del circuito BP1a acoplado al segundo accionador es aproximadamente 0 MPa y la presion del circuito AP1a esta ligeramente por debajo de 50 MPa. Ahora es posible trasferir energla desde los circuitos de carga a presiones inferiores al circuito AP1a, de la siguiente manera: un movimiento de piston para extender el primer accionador se genera al acoplar el control del primer accionador para que sea u%=15 y el control del segundo accionador para que sea u%=7, en donde la relation entre las areas efectivas de las camaras de trabajo acopladas a los dos presiones mas alta se vuelve 5:1. De manera correspondiente, un movimiento de piston opuesto se genera al acoplar el control del primer accionador para que sea u%=0 y el control del segundo accionador para que sea u%=4, en donde la relacion entre dichas areas se vuelve -5/-1 (=5/1). De manera correspondiente, la conversion de presion se puede realizar en ambos sentidos de movimiento con tambien otras relaciones de conversion logradas por dicho accionador, que caen dentro del intervalo de 1:5 a 5:1.

Relaciones de conversion mas altas unicamente se logran de manera discontinua, esto es, solamente cuando se mueven en uno de los dos sentidos. La relacion de conversion maxima lograda en ambos sentidos de movimiento se determina por la relacion entre la suma de las areas efectivas que hacen el accionador mas corto y el area efectiva mas pequena que hace el accionador mas corto, que es, en este caso, (4+1)/1 = 5/1.

Los intervalos de produccion de fuerzas de dichos accionadores debe ser al menos parcialmente el mismo, de modo que la suma de fuerzas efectivas en la parte movil se puede mantener suficientemente pequenas, por lo que tambien se evita estrangulacion del medio presurizado y no se consume energla innecesariamente.

Si el punto inicial es que ciertos circuitos de carga, por ejemplo API y BP1, siempre estan acoplados solamente al primer accionador del convertidor de presion, y otros ciertos circuitos de carga, por ejemplo AP1a y BP1a, siempre estan acoplados solamente al segundo accionador del convertidor de presion, es posible realizar una conversion eficiente en energla solamente en este tipo de intervalo de produccion de fuerza comun a dichos accionadores, en el que las fuerzas de los accionadores pueden compensarse aproximadamente entre si.

Si se desea hacer que el convertidor de presion utilice un intervalo de conversion mas grande simetricamente en ambos sentidos de movimiento, esto se puede realizar con un acoplamiento que en la conversion de presion permita usar unicamente fuerzas que extienden el accionador. Esta clase de un acoplamiento se usa para intercambiar los circuitos de carga llevados al accionadores entre si. En los ejemplos de las figuras 17 y 18, esto significa que el circuito de carga AP1 se acopla en lugar del circuito de carga AP1a, y el circuito de carga BP1 se acopla en lugar del circuito de carga BP1a. De manera correspondiente, el circuito de carga AP1a se acopla en lugar del circuito de carga AP1, y el circuito de carga BP1a se acopla en lugar del circuito de carga BP1. El intercambio tiene lugar por medio de una valvula de control o sistema de valvula separados, por ejemplo una valvula direccional de cuatro vlas posicionada en dos, segun el circuito de control 125 de la figura 18, o como alternativa por medio de una conexion en cruz con valvulas de activacion/desactivacion, segun el circuito de control 126 de la figura 17. Con el intercambio, se mantiene la relacion de conversion del convertidor de presion, independientemente de la direccion de movimiento de la parte movil. Asl, los intervalos de produccion de fuerzas de los accionadores no necesitan cortarse entre si para realizar una conversion de presion eficiente en energla.

Ademas, se obtienen mas relaciones de conversion del convertidor de presion y combinaciones de acoplamiento de los circuitos de carga con un acoplamiento en el que entre cada camara y cada circuito de carga se proporciona una posibilidad de acoplamiento, esto es, una interfaz de control separada. Por medio de este tipo de circuito de control, cualquier circuito de medio presurizado comprendido en el sistema se puede acoplar a cualquier camara de trabajo de cualquier accionador, en donde la energla se puede trasferir utilizando una unica relacion de conversion (1:1) desde un circuito de presion a otro circuito de presion y, utilizando varias relaciones de conversion alternativas diferentes, desde dos o mas circuitos de presion a uno o mas otros circuitos de presion, o desde uno o mas circuitos de presion a dos o mas otros circuitos de presion, o desde dos o mas circuitos de presion a dos o mas otros circuitos de presion.

Al acoplar el convertidor de presion a una fuente de energla externo, es posible trasferir energla mecanica externa a los circuitos de carga en forma de energla hidraulica. Por ejemplo, en la parte movil es efectiva energla cinetica directamente o por medio de una parte conectada a ella y genera un movimiento de bombeo preferiblemente en vaiven que, por medio del piston del accionador de cilindro, genera la presion del medio presurizado en la camara de trabajo. La energla hidraulica se puede almacenar ademas en una unidad de carga de energla o utilizarse de otras maneras o en otros accionadores.

La invencion no se limita solamente a los ejemplos presentados anteriormente, pero se puede aplicar dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de medio presurizado, que comprende:

- al menos un accionador (23) o unidad accionadora configurados para generar sumas de fuerzas (Fcyi) efectivas sobre una carga;

- al menos dos camaras de trabajo que funcionan por el principio de desplazamiento y ubicadas en dicho accionador o unidad accionadora, las al menos dos camaras de trabajo incluyen al menos dos camaras de trabajo predeterminadas (19, 20, 21, 22);

- al menos un circuito de carga de una presion mas alta (AP, API, APi), que es una fuente de energla hidraulica que puede producir y recibir un flujo volumetrico a un primer nivel de presion predeterminado; - al menos un circuito de carga de una presion mas baja (BP, BP1, BPi), que es una fuente de energla hidraulica que puede producir y recibir un flujo volumetrico a un segundo nivel de presion predeterminado; y - un circuito de control (40) configurado para acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presion mas alta (AP, API, APi) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presion mas baja (BP, BP1, BPi) por turnos a cada camara de trabajo predeterminada (19, 20, 21, 22);

- al menos un controlador (24) para control de dichas sumas de fuerzas generadas por dicho accionador o unidad accionadora;

caracterizado por que:

- el circuito de control (40) comprende, para cada camara de trabajo predeterminada (19, 20, 21, 22), una primera interfaz de control controlable (9, 11, 13, 15) configurada para abrir y cerrar una primera conexion al circuito de carga de una presion mas alta (AP, AP1, APi), y una segunda interfaz de control controlable separada (10, 12, 14, 16) configurada para abrir y cerrar una segunda conexion al circuito de carga de una presion mas baja (BP, BP1, BPi);

- en donde la primera interfaz de control controlable y la segunda interfaz controlable comprenden, cada una, una valvula de cierre controlada en activacion/desactivacion o varias valvulas de cierre controladas en activacion/desactivacion conectadas en paralelo;

- en donde cada camara de trabajo predeterminada (10, 20, 21, 22) puede generar componentes de fuerza (FA, FB, FC, FD) que corresponden al primer nivel de presion predeterminado y el segundo nivel de presion predeterminado del al menos un circuito de carga de una presion mas alta (AP, AP1, APi) y el al menos un circuito de carga de una presion mas baja (BP, BP1, BPi) para acoplarse a cada camara de trabajo predeterminada; y

- en donde cada componente de fuerza se configura para generar al menos una de dichas sumas de fuerzas en combinacion con las componentes de fuerza generadas por las otras camaras de trabajo predeterminadas; - en donde dicho controlador se configura para controlar dicho circuito de control (40) sobre la base de una entrada que es un valor de pauta (31) para una suma de fuerzas a generar, aceleracion de la carga, velocidad de la carga o posicion de la carga; y

- en donde dicho al menos un controlador se configura ademas para controlar, en cada momento de tiempo, las interfaces de control controlables primera y segunda de dicho circuito de control (40) de tal manera que las componentes de fuerza generadas generan una de dichas sumas de fuerzas correspondientes o relacionadas de cerca con dicho valor de pauta (31).

2. El sistema segun la reivindicacion 1, caracterizado por que al menos dos de dichos circuitos de carga (AP, AP1, APi, BP, BP1, BPi) pueden recibir un flujo volumetrico de la camara de trabajo predeterminada, a la que se acopla el circuito de carga para generar una componente de fuerza.

3. El sistema segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que dicho accionador (23) o unidad accionadora se configuran para controlar la carga (L) por medio de dichas sumas de fuerzas, que son variables, en donde para dicho control y en cada momento de tiempo, se selecciona una de dichas componentes de fuerza para uso por parte de cada camara de trabajo predeterminada.

4. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el circuito de control (40) comprende una serie de interfaces de control que se configuran para suministrar energla hidraulica de los circuitos de carga a las camaras de trabajo predeterminadas sustancialmente sin perdida.

5. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dicho circuito de control (40) se configura para acoplar el primero de los circuitos de carga a una de dichas camaras de trabajo predeterminadas, para el suministro de energla hidraulica, y simultaneamente para acoplar un segundo de dichos circuitos de carga a otra de dichas camaras de trabajo predeterminadas, para devolver un flujo volumetrico simultaneamente a dicho segundo circuito de carga.

6. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicho accionador o unidad accionadora se configuran como unidad de carga de energla, en la que la energla hidraulica de uno cualquiera de dichos circuitos de carga se puede convertir en energla potencial a almacenar, y de los que, si es necesario, dicha energla potencial almacenada se puede convertir nuevamente en energla hidraulica para uno cualquiera de dichos circuitos de carga.

7. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que cada uno de dichos circuitos de carga comprende un acumulador de presion (17, 18).

8. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el sistema tambien comprende:

al menos una unidad de bomba (111) que utiliza medio presurizado y produce energla hidraulica; y un sistema de valvula de control y seguridad (124) configurado para acoplar dicha unidad de bomba a dichos circuitos de carga, uno o mas al mismo tiempo, ya sea para suministrar energla hidraulica a uno o mas circuitos de carga, o para recibir medio presurizado de uno o mas circuitos de carga, o para realizar estas dos operaciones al mismo tiempo.

9. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que las relaciones de las areas efectivas de dichas camaras de trabajo predeterminadas siguen la serie NM, en la que N es el numero de dichos circuitos de carga, M es el numero de dichas camaras de trabajo predeterminadas, y ambos N y M son enteros.

10. El sistema segun la reivindicacion 1, caracterizado por que en dicho controlador se almacenan estados de dicho circuito de control (40), cada uno de los estados representa los acoplamientos de dicho circuito de control para generar una suma de fuerzas, en donde dicho controlador se configura para establecer los estados del circuito de control en este tipo de orden que corresponde proporcionalmente a un orden de magnitud de las sumas de fuerzas a generar; y en donde una salida de dicho controlador son valores de control (37, 39) para dar a dicho circuito de control para establecer dicho circuito de control en este tipo de estado que corresponde a dicho valor de pauta (31) en cada situacion de carga.

11. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 10, caracterizado por que en dicho controlador se almacenan estados de dichas camaras de trabajo predeterminadas, cada uno de los estados representa los acoplamientos de las camaras de trabajo predeterminadas para generar una suma de fuerzas, y los valores de control correspondientes a ellas, escalados en un orden que corresponde proporcionalmente a un orden de magnitud de las sumas de fuerzas a generar.

12. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el sistema comprende ademas al menos un circuito de carga (MPi) de una presion intermedia, que es una fuente de energla hidraulica que puede producir y recibir un flujo volumetrico a un tercer nivel de presion predeterminado, en donde el circuito de carga (MPi) de una presion intermedia se configura para acoplarse a cada camara de trabajo predeterminada.

13. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que dicho accionador o dicha unidad accionadora es un accionador (45) o una unidad accionadora de un dispositivo giratorio (41) para controlar el movimiento pivotante de la carga (L) acoplada a dicho dispositivo giratorio.

14. El sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que dicho accionador o dicha unidad accionadora s un accionador (50, 51, 52, 53) o una unidad accionadora de un dispositivo rotatorio para controlar la rotacion de la carga acoplada a dicho dispositivo rotatorio.