KR20190129963A - 유압 시스템의 폐쇄 제어 매개 변수 결정 방법 - Google Patents

유압 시스템의 폐쇄 제어 매개 변수 결정 방법 Download PDF

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쿠르트 제헬트라이트너
루카스 빅
레오폴트 그리슬러
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비＆알 인더스트리얼 오토메이션 게엠베하
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Abstract

서보 드라이브를 포함하는 유압 시스템의 폐 루프 제어를 위한 폐 루프 제어 매개 변수의 자동화된 매개 변수화를 수행하기 위해, 유압 시스템의 폐 루프 제어 유닛의 폐 루프 매개 변수를 결정하기 위한 방법 및 장치가 특정되며, 유압 시스템의 유압 컨슈머의 실제 시스템 압력은 사전 정의된 세트에 의해 폐 루프 제어된다. 서보 드라이브의 포인트 회전 속도-서보 드라이브의 실제 회전 속도는 미리 정의된 셋포인트 회전 속도를 따르고, 여기 신호가 설정 포인트 회전 속도에 적용되고 여기서 설정되는 실제 시스템 압력이 측정되어, 유압 시스템의 다이나믹스는 실제 회전 속도 및/또는 셋포인트 회전 속도 및 실제 시스템 압력으로부터 획득되고, 폐 루프 제어 매개 변수는 획득된 다이나믹스로부터 계산된다.

Description

유압 시스템의 폐쇄 제어 매개 변수 결정 방법
본 발명은 유압 시스템의 제어 유닛의 제어 매개 변수를 결정하는 방법에 관한 것으로, 유압 시스템의 유압 부하의 실제 시스템 압력은 서보 드라이브의 미리 정해진 목표 속도에 의해 제어되며, 실제 속도는 미리 정해진 목표 속도를 따른다. 또한, 본 발명은 제어 유닛에 의해 미리 정해진 목표 속도를 갖는 서보 드라이브를 포함하고, 상기 서보의 실제 속도는 상기 미리 정해진 목표 속도를 따르며, 미리 정해진 목표 속도에 의해 제어된 실제 시스템 압력을 갖는 유압 부하를 포함하는 유압 시스템에 관한 것이다.
유압 시스템은 유압 발전기와 유압 부하로 구성된다. 서보 드라이브는 일반적으로 유압 발전기 및 예를 들어, 유압 실린더, 유압 모터 등의 유압 커패시터 등으로 사용되고, 유압 부하로서 이용될 수 있다. 이러한 맥락에서, 서보 드라이브는 일반적으로 모터 및 펌프의 조합으로 이해되며 모터는 컨버터에 의해 구동된다. 서보 드라이브의 모터 속도는 매우 가변적이며 펌프가 전달하는 유압 량 흐름을 제어한다. 이것은 차례로 유압 시스템의 유압 실제 시스템 압력의 변화를 발생시킨다. 따라서 시스템 압력 제어는 모든 유압 부하에 필수적이다. 일반적으로 유압 시스템의 제어에는 추가 필터가 있는 PID 구조 또는 PID-형 구조가 사용된다. 현재 종래 기술에 따라 필요한 제어 매개 변수는 유압 시스템상의 시행 및 에러 즉, 반복적 수동 튜닝에 의해 결정되어야 한다. 한편으로, 이것은 매우 많은 시간이 소요되는데, 테스트가 시간을 많이 소모하기 때문이며, 다른 한편으로는, 경험이 풍부한 전문 인력을 필요로 한다. 따라서, 보다 상세한 문서가 존재하더라도, 제어 매개 변수의 실제 조정은 관련 사용자에 따라 크게 좌우되며, 지글러-니콜스(Ziegler-Nichols) 방법과 같은 이러한 목적을 위한 약간의 경험적 절차가 존재한다. 사용된 제어 구조에 따라 많은 결정될 매개 변수와 이에 따른 제어 변경 설정 노력이 필요하다. 따라서 전체 주파수 범위에서 경로 역학에 대한 지식이 충분하지 않기 때문에 수동으로 컨트롤러를 설계하기가 어렵다. 또한, 예를 들어 구성요소의 마모로 인해 경계 조건이 변경될 때 제어 매개 변수의 재조정은 필수적이다. 또한 의도하는 다이나믹스(dynamics)를 달성하는 제어 매개 변수를 구성하는 것은 어렵다. 이러한 운동은 유압 시스템의 입력/출력 동작 즉, 이 경우 목표 시스템 압력이 변화하도록 실제 시스템 압력의 응답을 설명한다. 유압 시스템이 높은 정도의 다이나믹스를 가지는 경우, 예를 들어, 실제 시스템의 압력은 충분히 목표 시스템 압력의 급격한 변화를 수행할 수 있다.
DE 198 42 565 A1은 복수의 원심 펌프를 포함하는 유압 시스템을 개시한다. 각각의 원심 펌프의 필요한 연결 및 분리는 근본적으로 시스템에서 방해(disturbance)로 작용할 불필요한 압력 서지를 생성한다. 그러나, 상기 압력 서지(surges)는 PID 제어기의 제어 매개 변수를 매개 변수화하기 위해 DE 198 42 565 A1에서 사용된다.
PTN 요소의 형태인 즉 제로의 카운터 순서를 가진 전달 함수가 결정되며, 이로부터 제어 매개 변수가 결정된다. PTn 요소, 즉 일련의 n개의 PT1 요소는 일반적으로 발진할 수 없다. 발생하는 압력 서지는 잘 검출할 수 있지만, 또한 신속하고 정확한 매개 변수가 불가능하기 때문에 제어기 매개 변수화를 위한 시스템 확인에 대한시스템 프롬프트로서 적합하지 않다.
따라서, 본 발명에 의해 해결되는 문제는 서보 드라이브를 포함하는 유압 시스템의 제어를 위한 제어 매개 변수의 매개 변수화가 크게 자동화되고, 빠르고 정확하게 사용되는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 여기 신호가 목표 속도에 적용되고 결과적인 실제 시스템 압력이 측정된다. 유압 시스템의 다이나믹스는 실제 속도 및/또는 목표 속도와 실제 시스템 압력에서 결정되고, 상기 제어 매개 변수는 상기 결정된 다이나믹스로부터 계산된다. 또한, 본 발명에 따르면, 여기 신호를 목표 속도에 적용하고 유압 시스템의 결과적인 실제 시스템 압력을 측정하여 실제 속도 및/또는 유압 시스템의 유압 시스템의 역학을 결정하도록 구성된 제어 유닛이 제공된다. 또는 목표 속도와 실제 시스템 압력 및 상기 결정된 역학에서 제어부의 제어 매개 변수를 산출한다. 따라서 수동 튜닝에 필요한 시간의 일부로 유압 시스템의 제어 유닛의 제어 매개 변수를 결정할 수 있다. 또한, 제어 매개 변수의 결정 시퀀스는 재현 가능하고 관련 사용자와 독립적으로, 특히 자동 방식으로 발생한다. 본 발명에 따른 방법은 동적 특성에서 알려지지 않은 유압 시스템을 식별할 수 있게 한다. 서보 드라이브의 목표 속도에 여기 신호를 적용하면 알려지지 않은 유압 시스템은 식별을 위해 효과적으로 동적으로 여기될 수 있다. 이는 유압 시스템이 내부 구조를 알 수 없거나 알 필요가 없는 "블랙 박스"임을 의미한다. 따라서 사전에 알려진 경우에도 내부 특성 또는 동적 매개 변수가 사용되지 않는 입력-출력 관계의 검사로 제한된다.
외부 여기 신호가 목표 속도에 적용되므로, 여기 신호를 자유롭게 선택할 수 있다. 이것은 예를 들어 제어기 매개 변수를 특히 빠르고 정확하게 매개 변수화하기 위해 여기(excitation)에 예를들어 광대역 신호에 특히 적합한 여기 신호를 적용할 수 있도록 한다.
바람직하게는, 제어 유닛에 대한 보상 필터는 결정된 다이나믹스로부터 매개 변수화될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 진행중인 프로세스에서의 측정에 의해 제어 매개 변수를 현재 프로세스 조건에 적응시킬 수 있게 하므로, 보상 필터는 또한 필요한 경우 자동으로 매개 변수화될 수 있다. 이미 식별된 유압 시스템의 다이나믹스는 특정 주파수 범위에서 원하지 않는 동작(예: 강한 공명 동작)에 따라 조사되고 추가로 증폭되거나 감쇠될 수 있다. 따라서 상당한 노이즈 감소와 더 높은 다이나믹 레인지가 모두 가능하다.
보상 필터는 주파수 범위에서 원하지 않는 동작을 억제하는 데 사용된다(예 : 특정 주파수에서 공진 동작을 억제하거나 반대로) 공명 방지 동작의 경우 상기 주파수에서 시스템 게인을 높이는 데 사용된다. 서보 시스템의 목표 시스템 압력과 목표 속도를 미리 결정하고 목표 속도에 여기 신호를 적용함으로써 유압 시스템이 여기된다. 이것의 일부로서, 제어 루프의 역학에 관한 정보는 실제 시스템 압력 및 실제 속도 및/또는 목표 속도로부터 얻어진다. 이러한 획득된 정보에 의해, 제어 유닛의 모든 필요한 조정 매개 변수가 추가로 계산된다. 선택적으로, 다수의 제어 매개 변수는 또한 사용자에 의해 미리 결정될 수 있고 다른 필요한 제어 매개 변수는 본 발명에 따라 계산될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 사용하면, 다양한 장점이 발생한다: 따라서, 제어 유닛의 제어 매개 변수를 설정하는 절차가 상당히 가속화된다. 또한 가능한 자동화된 프로세스로 인해 결과가 재현 가능하고 더 이상 특정 사용자에게 의존할 필요가 없다. 이에 따라 제조되면, 상기 방법은 비전문가에 의해 구현될 수도 있다.
바람직하게는, 여기 신호의 적용 전에 목표 속도에 대해 일정한 초기 속도가 미리 결정되며, 이 시점에서 초기 압력은 유압 시스템을 실제 시스템 압력으로 만든다. 이는 실제 속도 및 실제 시스템 압력에 대한 작동 지점을 설정한다.
바람직하게는, 유압 부하는 유압 실린더, 특히 차동 유압 실린더이다.
따라서 실제 시스템 압력은 유압 실린더의 압력을 설명할 수 있다.; 유압 모터 등의 압력이 고려될 수 있다.
초기 속도에 적용되는 여기 신호는 일반적으로 광대역 신호이다. 증가하는 주파수와 펄스형 신호와 계단형 여기 조화 신호의 조랍이 특히 바람직하다. 따라서, 여기 신호로서 바람직하게는 증가하는 주파수, 펄스 또는 혼합 신호와 함께 스쿼어 웨이브 신호, 하모닉 신호가 사용된다.
유압 시스템의 다이나믹스를 설명하기 위해 다른 표현을 사용할 수 있다. 기록된 시스템 입력, 즉 실제 속도 및/또는 목표 속도 및 시스템 출력, 즉 실제 시스템 압력으로부터 전달 함수가 결정된다. 시스템 다이내믹스를 설명하는 식별된 전달 함수는 시스템 입력, 즉 실제 속도 및/또는 목표 속도와 시스템 출력, 즉 실제 시스템 압력 간의 관계를 나타낸다. 따라서, 유압 시스템의 다이나믹스는 전달 함수에 의해 설명될 수 있는 것이 바람직하다.
전달 함수, 즉 컨트롤러 루프의 식별은 고속 푸리에 변환(FFT) 또는 최소 제곱법(LSQ)과 같은 알려진 방법을 사용하여 결정하거나 근사치로 계산될 수 있지만 지글러-니콜스(Ziegler-Nichols) 방법과 같은 다른 방법이 컨트롤러 루프를 식별하는 데 사용할 수 있다. 고속 푸리에 변환은 신호를 주파수 성분으로 분할한다. 본 시스템의 입력 및 출력, 즉 여기서 실제 속도 또는 목표 속도 및 실제 시스템 압력에 적용되는 경우, 주파수 범위에서의 전송 거동은 그로부터 결론낼 수 있으며, 이는 제어 매개 변수의 추가 설계에 사용될 수 있다. 그러나 최소 제곱 법(LSQ)은 보상 계산의 표준 방법이고, 전달 함수의 근사값을 추정하는 데 사용할 수 있다.
주파수 특성 설계 방법은 주파수 범위에서 제어 매개 변수를 계산하기 위해 얻어진 유압 시스템의 역학에 바람직하게 적용될 수 있다. 주파수 특성 설계 방법에서, 제어 매개 변수는 차례로 동적 유압 시스템의 보드 개방 루프 보드 플롯 상의 요건으로 전달되는 목표 시스템 압력의 점프와 같은 기본 매개 변수로서 선택된 테스트 함수를 특정하기 위한 폐쇄 루프 응답의 과도 거동에 대한 요구를 기반으로 결정된다. 폐쇄 루프에 대한 요구는 예를 들어 동적 유압 시스템의 단계 응답의 상승 시간 및 오버 슈트가 포함된다. 상기 방법을 사용하여, 제어 매개 변수는 폐쇄 제어 루프의 단계 응답 특성(기본 매개 변수)으로부터 계산될 수 있다. 따라서 기본 매개 변수는 유압 시스템의 단계 응답, 즉 목표 시스템 압력이 급상승한 후 실제 시스템 압력이 목표 시스템 압력에 얼마나 빨리 도달 하는지를 나타낸다.
제어 매개 변수를 결정하기 위한 가장 적합한 방법의 선택은 일반적으로 매개 변수화될 제어기의 구조, 즉 스스로 결정될 제어 매개 변수에 따른다. 따라서, PID 제어기뿐만 아니라 선형 이차 제어기(LQR)의 제어 매개 변수가 결정될 수 있다. Riccati 컨트롤러로 알려진 선형 2차 컨트롤러는 실제 시스템 압력이 목표 압력으로 제어되는 2차 비용 함수를 최소화하여 피드백 매트릭스가 결정되는 선형 동적 시스템의 상태 컨트롤러이다.
고속 푸리에 변환(FFT), 최소 제곱 법(LSQ), 주파수 특성 설계 방법 및 선형 이차 제어기(LQR)는 모두 잘 알려져 있으므로 여기서는 자세히 설명하지 않는다.
제어 루프에서 추가적인 필터링(실제 압력 필터링, 보상 필터 등)이 유리한 경우, 작동자에게 표시되고 자동으로 구성된다.
어플리케이션에 따라, 사용자는 실제 시스템 압력의 오버 슈트가 허용되는지, 압력의 빠른 증가가 가능한지, 또는 오버 슈트가 허용되지 않는지를 결정하여 실제 시스템 압력의 증가가 더 크게 감쇠될 수 있다. 오버 슈트가 필요하지 않은 경우, 제어 매개 변수는 컨트롤러가 "더 부드럽게" 반응하도록 설계된다. 즉, 실제 시스템 압력을 목표 시스템 압력과 동등하게 하기 위해 목표 시스템 압력이 상승하는 동안 제어 변수가 너무 급하게 증가하지 않는다. 이것은 대부분 오버 슈팅을 방지한다.
또한, 직관적이고 이해하기 쉬운 매개 변수를 사용하여 목표 속도에 따라 점프 후 목표 시스템 압력의 상승 시간을 매개 변수화할 수 있다. 따라서, 설계된 제어기는 폐쇄 제어 루프에서 단계 응답을 분석함으로써 테스트될 수 있으며, 이 시점에서 제어 거동의 검증은 사용자에 의해 수행될 수 있다.
제어 매개 변수를 결정한 후에, 유압 시스템의 제어 거동은 목표 시스템 압력의 급격한 변화를 미리 결정하고 그후 유압 시스템의 거동, 이 경우, 실제 시스템 압력의 단계 응답을 관찰함으로써 확인될 수 있다.
따라서 자동 매개 변수화된 압력 제어가 작업자의 요구 사항을 충족하는지 여부를 평가할 수 있으며 필요한 경우 제어 구성을 위한 하위 절차를 다른 제어 구조 또는 수정된 상승 시간으로 다시 시작할 수 있다.
제어 유닛은 서보 드라이브에, 즉 분산 방식으로 통합될 수 있거나, 또는 서보 드라이브와 직교하는 광학 유닛에 예를들어, 중앙에서 컨트롤의 독립형 라이브러리 기능으로 통합될 수 있다.
제어 매개 변수를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법은 정상 작동 중에 언제라도 재시작될 수 있고, 제어 매개 벼눗 역시 프로세스 경계 조건(예를 들어 온도 변화, 누출 변화, 유압 전환 밸브에 대한 마모, 호스 길이 등 변경)에 대한 변화 동안 재조정될 수 있다.
하기에서는, 본 발명의 예시적인 유리한 실시예를 개략적이고 비 제한적인 방식으로 도시하는 도 1 내지도 5를 참조하여 본 발명을보다 상세히 설명한다..
도 1은 일반적인 유압 부하를 포함하는 유압 시스템.
도 2a는 실제 시스템 압력의 오버 슈트 및 언더 슈트.
도 2b는 실제 시스템 압력에 대한 예시적인 원하는 곡선.
도 3은 유압 부하로서 차동 유압 실린더를 포함하는 유압 시스템.
도 4a는 목표 속도의 시간에 따른 진행.
도 4b는 실제 시스템 압력의 시간에 따른 진행.
도 5는 목표 시스템 압력의 시간에 따른 단계적 진행에 응답하는 실제 시스템 압력의 시간에 따른 진행.
도 1은 예시적인 유압 시스템(1)을 도시한다. 유압 부하(8)는 실제 시스템 압력(p_ist)을 가지며, 이는 서보 드라이브(3)의 실제 속도(n_ist)에 의해 조절된다. 서보 드라이브(3)는 모터(31) 및 펌프(32)로 구성된다. 도 1은 개방된 유압 회로, 즉 펌프(32)가 매체(11) 예를 들어 유압 유체를 (대부분 압력이 없는)탱크(10)로부터 전달하고, 상기 매체(11)는 유압 부하(8)로부터 탱크(10)로 다시 통과하는 것을 도시한다. 결과적으로, 유압 부하((8)의 실제 시스템 압력(p_ist)이 영향을 받는다.
목표 시스템 압력(p_soll)은 사용자 또는 프로그램에 의해 제어 유닛(5), 예를 들어 PLC에 대해 미리 결정된다. 목표 속도(n_soll)는 실제 시스템 압력(p_ist) 및 목표 시스템 압력(p_soll)으로부터 제어 장치(5)에서 구현되는 압력 조절기에 의해 제어된다. 이를 위해, 실제 시스템 압력(p_ist)도 마찬가지로 제어 유닛(5)에 공급된다. 또한, 서보 드라이브(3)의 실제 속도는 압력 조절기로부터, 즉 이 경우 조작 유닛(5)으로부터 목표 속도(n_soll)을 수신하는 속도 조절기에 의해 제어된다. 그러나, 이 경우에 속도 조절기는 제어 유닛(6) 상에 구현된다. 제어 유닛(6)은 예를 들어, 미리 정해진 목표 속도(n_soll)를 따르는데 필요한 전류를 서보 드라이브(3)에 제공하는 ACOPOS 서보 증폭기로 나타날 수 있다. 압력 조절기와 속도 조절기는 상술한 바와 같이 유압 시스템의 임의의 지점에 구현될 수 있다. 예를 들어, 압력은 제어 유닛에서 조절되고 서보 드라이브(3)에서 조절되는 속도만 가능하다. 서보 드라이브(3)는 실제 속도(p_ist)에 따라 매체(11)를 운반하여 실제 시스템을 조절한다. 지금까지 종래 기술에 따르면, 제어 유닛(6)의 제어 매개 변수는 수동 및 반복적으로 설정되었다. 예로서, PID 제어기로서 설계된 제어 유닛(6)의 제어 매개 변수의 가능한 수동 설정이 설명되며, 여기서 이득 계수(KP), 적분 시상수(TI) 및 미분 시상수(TD)는 공지된 PID 제어기의 제어 매개 변수로서 결정된다. 이 경우, 시작시에 압력 필터가 적절히 매개 변수화된다. 즉, 필터 시간(Tf)은 필터링되는 측정된 실제 시스템 압력(p_ist)에 의해 결정된다.
압력 센서가 전달하는 신호는 일반적으로 예를 들어 환경으로부터의 간섭에서 비롯되는 중첩된 노이즈를 나타낸다. 이 소음은 실제 압력을 제어할 때 불쾌한 소음을 유발하고 압력 조절기를 통해 속도 조절기로 직접 전달되므로 실제 속도에 영향을 미친다. 따라서 잡음은 들을 수 있을뿐만 아니라 구성 요소의 서비스 수명과 같은 다른 부정적인 영향도 미친다. 압력 필터는 일반적으로 1차 저역 통과 필터의 특성을 가지고 있다. 상기 압력 필터의 차단 주파수를 너무 낮게 선택하면 낮은 주파수에서도 높은 감쇠가 이루어지므로 압력이 급격히 변하는 경우 정보가 손실되고 조절 속도가 느려진다. 필터 시간(Tf)이 너무 낮게 선택되면, 실제 시스템 압력(p_ist)의 교란이 충분히 억제되지 않아서, 서보 드라이브(3)가 부드럽게 작동하지 않게된다. 반면에 필터 시간(Tf)이 너무 높으면 실제 시스템 압력(p_ist)의 조정 속도가 느려진다. 이득 계수(KP)의 초기값의 결정은 시작점으로 추가로 취해진다. 이를 위해, 원하는 목표 시스템 압력(p_soll)이 설정되고 유압 부하(8)는 예를 들어 유압 부하(8)의 피스톤이 타격 위치에 있게 됨으로써 초기 상태가 된다. 그 후, 목표 시스템 압력(p_soll) 주위의 사인파 진동과 같은 진동이 실제 시스템 압력(p_ist)에 대해 발생할 때까지 이득 계수(KP)가 점차 증가된다.
상기 진동은 예를 들어 실제 시스템 압력(p_ist)의 진동도 실제 속도(n_ist)에서 현저하기 때문에, 서보 모터(3)의 엔진 소음이 이전보다 더 크게 인식될 수 있다. 실제 시스템 압력(p_ist)의 진동은 주로 센서에 의해 측정되는 실제 압력 신호에서 볼 수 있다. 실제 시스템 압력은 시스템 다이내믹스를 통한 실제 속도와 직접 관련이 있기 때문에 진동한다. 그런 다음 이득 계수(KP)가 20% 감소한다. 또한, 실제 시스템 압력(p_ist)의 진동이 눈에 띄면, 진동이 눈에 띄지 않을 때까지 이득 계수(KP)가 점차 감소된다. 압력 조절기의 적분 시상수(TI)의 초기값이 조정된다. 이를 위해, 원하는 목표 시스템 압력(p_soll)이 설정되고, 다시 유압 부하(8)가 초기 위치에 도달되고 목표 시스템 압력에서 점프가 가해진다. 이어서, 도 2a에 예로서 도시된 실제 시스템 압력(p_ist)의 언더 슈트(undershoot)가 발생할 때까지 적분 시상수(TI)가 점차 감소되어 적분 시상수(TI)가 10% 증가된다. 언더 슈트가 이미 초기 값으로 발생하는 경우, 실제 속도(n_ist)에서의 언더 슈트가 사라질 때까지 적분 시상수(TI)가 점차 증가한다. 통합 시간 상수에 적합한 시작 값(TI)은 예를 들어 TI = 0.1 초이다. 미분 시상수(TD)에 대해서도, 초기값이 설정되고 미분 시상수(TD)는 실제 시스템 압력(p_ist)의 오버 슈트가 거의 식별될 수 없을 때까지 점진적으로 증가된다. 실제 시스템 압력(p_ist)의 오버 슈트가 미분 시상수(TD)의 초기값으로 이미 너무 크게 억제되면, 미분 시상수((TD)는 도 2b에 예로서 도시된 바와 같이 오버 슈트가 거의 식별될 수 없을 때까지 점차 감소된다. 미분 시상수(TD)를 증가시킬 때 진동이 발생하면, 미분기(T1)의 필터 시상수를 조정함으로써 이들도 감쇠될 수 있다. 따라서, 제어 매개 변수의 제 1 결정이 이루어진다. 그러나 작동 중에는 예를 들어 방금 언급한 패턴에 따라 자주 조정해야 한다. 제어 매개 변수 설정에 필요한 많은 시간 외에도, 세부적인 설명에도 불구하고 제어 매개 변수의 특정 매개 변수화는 사용자에 따라 크게 좌우된다는 단점이 있다.
도 3은 유압 시스템(1)의 특정 실시예를 도시한다. 상기 도면에서, 유압 부하(8)는 스위칭 밸브(2)에 연결된 차동 유압 실린더(7)로 설계된다. 스위칭 밸브(2)는 서보 드라이브(모터(31)와 펌프(32)로 구성되는) 및 탱크(10)에 더 연결된다. 도 1의 일반적인 실시예와 관련하여 이미 언급된 바와 같이, 유압 시스템(1)의 개방 루프는도 3에서 볼 수 있다. 개방 루프에서, 매체(11)는 서보 드라이브(4)의 펌프(32)에 의해 탱크(4)(보통 대기압을 가짐)로부터 이송되고, 상기 지점에서 매체(11)는 유압 부하(8)로부터 탱크(4)로 복귀된다. 그러나, 본 방법은 개방된 유압 회로를 갖는 유압 시스템(1)에만 제한되지 않고, 폐쇄된 유압 회로, 즉 압력 어큐뮬레이터를 구성하는 폐쇄 탱크(11)를 갖는 유압 시스템(1)에도 적용 가능하다. 차동 유압 실린더(7)는 피스톤(70)을 포함하는데, 상기 차동 유압 실린더(7)의 위치(70')는 실제 시스템 압력(p_ist)에 좌우된다. 차동 유압 실린더(7)의 실제 시스템 압력(p_ist)은 서보 드라이브(3)의 실제 속도(n_ist)에 의해 조절된다. 목표 속도(n_soll)는 차례로 제어 유닛(5)에 의해 서보 드라이브(3)에 대해 미리 결정된다. 제어 유닛(6)은 차례로 제어 유닛(5)에 의해 제공된 목표 속도(n_soll)에 대한 실제 속도(n_ist)를 조절한다. 차동 유압 실린더(7)의 예를 사용하여, 실제 시스템 압력(p_ist)의 정확한 조절은 예를 들어 정해진 힘이 피스톤에 연결된 피스톤로드(72)에 의해 가해지도록 한다. 차동 유압 실린더(7)에 선택적으로, 예를들어 유압 모터는 특정 모멘트를 제공하는 유압 부하(8)로 제공된다. 유압 부하(8)의 제어 유닛(6), 이 경우 상기 서보 유압 구동 트레인은 작동 유닛(5)에서 편심인 것과 마찬가지로 도 3에 도시된 바와 같이 서보 드라이브(3)에 직접 중심으로 장차된다.
작동 유닛(5)에 의해 실제 시스템 압력(p_ist)은 차동 유압 실린더(7)에 탐지되고 서보 드라이브(4)를 위한 목표 속도(n_soll)는 차동 유압 실린더(7)의 원하는 목표 속도(n_soll)를 설정하기 위하여 제어 유닛(6)으로 계산된다. 물론, 실제 시스템 압력(p_ist)은 제어 유닛(6)을 사용하여 직접 탐지 및 처리된다..
도 3에서 제어 매개 변수를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 시작에서, 차동 유압 실린더(7)의 피스톤(70)은 목표 속도(n_soll)에 일정한 초기 속도(n0)를 적용함으로써 원하는 위치(70'), 예를들어 종료 위치로 이동된다. 따라서, 유압 시스템(1)의 차동 유압 실린더(7)에서, 실제 시스템 압력(p_ist)은 초기 압력(p0)에 도달하여 효과적으로 작동 점을 설정한다. 여기에 기술된 차동 유압 실린더(7) 대신에, 임의의 다른 유압 부하가 고려될 수 있음을 다시 주목해야 한다. 유압 시스템(1)은 여기 신호(n1)를 목표 속도(n_soll)에 인가함으로써 여기된다. 여기 신호(n1)로 목표 속도를 적용한 후 실제 속도(n_ist)의 시간에 따른 가능한 진행이 도 4a에 도시되어 있으며, 여기서 시간(t)은 수평축에 초단위로, 실제 속도(n_ist)는 수직축에 표시된다. 여기 신호는 제어 루프, 즉 유압 시스템(1)의 다이나믹스를 자극하기 위한 것이다. 상기 여기 동안, 실제 시스템 압력(p_ist)은 차동 유압 실린더에서 측정된다. 실제 시스템 압력(p_ist)의 시간에 따른 가능한 결과적인 진행이 도 4b에 도시되며, 여기서 시간(t)은 수평 축에 초단위로 도시되고 실제 시스템 압력(n_ist)은 수직 축에 도시된다. 서보 드라이브(3)에 의해 측정 또는 제공될 수 있는 실제 시스템 압력(p_ist) 및 실제 속도(n_ist) 또는 목표 속도(n_soll)의 시간 경과에 따른 진행으로부터, 시스템 다이나믹스를 설명하기 위한 전달 함수(Gp/n(z))는 예를 들어, 최소 제곱 법을 사용하여 추정될 수 있다.(현재의 경우, 예를 들어, 5차의 시간-이산(z- 범위) 전달 함수. 물론 시간 연속(s- 범위) 전달 함수도 사용될 수 있음) 예를들어, 기본 전달 함수 Gp/n(z)는 다음과 같다::
Figure pct00001
이제, 예를 들어, 전달 함수 Gp/n(z)의 구조는 이 경우 5차로 미리 결정되지만, 전달 함수 Gp/n(z)의 매개 변수는 알려져 있지 않다. 최적화 문제는 전달 함수 Gp/n(z)의 파라미터를 결정하기 위하여 목적 함수(오류 최소화)로서 오차 제곱(측정 값과 전달 함수 Gp/n(z)의 매개 변수에서 계산된 값 사이의 편차)을 모델링된다. 미지의 매개 변수는 예를 들어 문헌에 적절히 기술된 최소 제곱법에 의해 추정된다. 중단 기준은 반복적인 방법이 아니므로 여기서 필요하지 않다.
따라서 시스템의 다이나믹스는 시스템의 입출력 동작으로 설명된다. 압력 조절기의 다이나믹스는 실제 시스템 압력에 대한 목표 시스템 압력의 동작을 설명한다.
상기 전달 함수 Gp/n(z)에 기초하여, 이득 계수(Kp) 및 적분 시상수(TI)를 갖는 PI 제어기는 공지된 주파수 특성 방법을 사용하여 제어 매개 변수로서 매개 변수화되고, 추가 필터링은 수행되지 않는다. 폐쇄 루프에 대한 요구 사항은 주파수 범위의 요구 사항으로 변환되고 제어 매개 변수가 계산된다. 제어 루프를 직접 지정하는 것보다 폐쇄 루프에 이러한 조건을 지정하는 것이 사용자에게 더 명확하다. 상술 한 실시예에서, 상승 시간(tr)은 폐쇄 루프에 대한 요구 사항으로 설정된다. 즉, 목표 시스템 압력에서 점프를 적용한 후 실제 시스템 압력은 상승 시간(tr), 예를들어 0.05초 내에 목표 시스템 압력의 레벨 변경 값에 도달해야 한다. 추가 요구 사항으로 오버 슈트 ue = 0%가 지정된다. 주파수 특성 방법의 맥락에서 표준으로, 폐쇄 루프에 대한 요구 사항은 대략적인 관계를 통해 개방 루프에 대한 요구 사항(규제없이)으로 변환된다. 개방 루프의 주파수 응답에서, 이득 계수(KP) 및 적분 시상수(TI)의 제어 매개 변수는 계산되고, 결과로, 예를 들어
Figure pct00002
,및 TI = 0.085 초이다. 제어 매개 변수를 계산한 후 목표 시스템 압력(p_soll)에서 점프를 지정하여 제어 매개 변수의 성공적인 매개 변수화를 확인할 수 있다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 실제 시스템 압력(p_ist)은 미리 정해진 목표 시스템 압력(p_soll)을 따른다. 폐쇄 루프와 개방 루프 사이의 대략적인 관계가 주파수 특성 방법에 사용되므로 폐쇄 루프의 실제 동작에서 편차가 발생할 수 있다. 따라서 원하는 낮은 오버 슈트 또는 오버 슈트가 없는 경우, 예로, 짧은 상승 시간과 함께 PI 컨트롤러를 사용하는 경우 도 5에서 볼 수 있듯이 실제 시스템에서 더 높은 오버 슈트가 명백할 수 있다.
이러한 오버 슈트를 감소 시키거나 완전히 억제하기 위해, PI 제어기 대신에 PID 제어기가 예를 들어 본 발명에 따라 매개 변수화될 수 있다.
여러 극점과 영점을 갖는 일반적으로 공식화된 전달 함수 Gp/n(z)로 인해 더 복잡한 제어기를 PID 제어기로 설계될 수 있다. 이러한 방식으로 복잡한 복합 극점을 가진 진동 전달 함수를 식별할 수 있다. 이러한 식별된 공진 주파수는 예를 들어 노치 필터(notch filter)에 의해 보상될 수 있다. 따라서, 예를 들어 바이 쿼드 필터 사용하여 차후에 보상될 수 있는 반-공진 주파수가 또한 식별될 수 있다.

Claims (15)

  1. 유압 시스템(1)의 제어 유닛(6)의 제어 매개 변수(KP, Tt, TD, TF)를 결정하는 방법에 있어서,
    유압 시스템(1)의 유압 부하(8)의 실제 시스템 압력(p_ist)이 서보 드라이브(3)의 미리 정해진 목표 속도(n_soll)에 의해 제어되고, 서보 드라이브(3)의 실제 속도(n_ist)가 미리 정해진 목표 속도(n_soll)에 따르며,
    여기 신호(n1)가 목표 속도(n_soll)에 적용되고 결과적인 실제 시스템 압력(p_ist)이 측정되어, 유압 시스템(1)의 다이나믹스는 실제 속도(n_ist) 및/또는 목표 속도(n_soll) 및 실제 시스템 압력(p_ist)에서 결정되고, 제어 매개 변수(KP, Tt, TD, TF)는 결정된 다이나믹스으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 여기 신호(n1)의 인가 전에 목표 속도(n_soll)에 대해 일정한 초기 속도(n0)가 미리 결정되고, 이 시점에서 초기 압력(p0)은 유압 시스템(1)은 실제 시스템 압력(p_ist)인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 실제 시스템 압력(p_ist)은 유압 실린더 또는 유압 모터의 압력을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 여기 신호(n1)로서 구형파 신호, 바람직하게는 증가하는 주파수, 펄스 또는 혼합 신호를 갖는 고조파 신호가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 유압 시스템(1)의 다이나믹스가 유압 시스템(1)의 전달 함수(Gp/n(z))에 의해 기술되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 전달 함수(Gp/n(z))는 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 전달 함수(Gp/n(z))의 매개 변수는 최소 제곱법(LSQ)에 의해 근사되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 매개 변수(KP, Tt, TD, TF)는 주파수 특성 방법에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 디폴트 매개 변수는 주파수 특성 방법에 대해 미리 결정되며, 바람직하게는 단계 응답의 오버 슈트(ue) 및 상승 시간(tr)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 매개 변수(KP, Tt, TD, TF)를 결정한 후, 제어 유닛(4)의 제어 거동은 미리 결정되는 시스템 압력(p_soll)의 단계적 변화와 결정되는 단계 응답에 의해 검증되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 사용자가 제어 유닛(4)의 제어 거동의 검증을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(6)에 대한 보상 필터는 상기 결정된 다이나믹스으로부터 추가로 매개 변수화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제어 장치(5)에 의해 미리 정해진 목표 속도(n_soll)를 갖는 서보 드라이브(3)를 포함하고, 서보 드라이브(3)의 실제 속도(n_ist)는 미리 정해진 목표 속도(n_soll)를 따르며, 미리 정해진 목표 속도(n_soll)에 의해 제어되는 실제 시스템 압력(p_ist)을 갖는 유압 부하(8)를 포함하는 유압 시스템(1)에 있어서,
    목표 속도(n_soll)에 대한 여기 신호(n1)에 적용되고 상기 유압 시스템(1)의 결과적인 실제 시스템 압력(p_ist)을 측정하도록 구성되어 실제 속도(n) 및/또는 목표 속도(n_soll)와 실제 시스템 압력(p_ist)으로부터 유압 시스템(1)의 다이나믹스를 결정하고, 결정된 다이나믹스으로부터 제어 유닛(4)의 제어 매개 변수(KP, Tt, TD, TF)를 계산하도록 구성되는 제어 유닛(4)이 제공되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어 유닛(4)은 서보 드라이브(3)에 통합되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제어 유닛(4)은 서보 드라이브(3)보다 상위인 작동 유닛(5)에 통합되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
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