MX2011003776A - Sistema hidraulico digital. - Google Patents

Sistema hidraulico digital.

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MX2011003776A
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MX2011003776A
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Ari Sipola
Hannu-Pekka Vihtanen
Matti Linjama
Arto Laamanen
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Norrhydro Oy
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Abstract

Un método y un sistema de medio presurizado, que comprende: al menos un accionador (23) o unidad accionadora, por medio del cual es posible generar fuerzas suma (Fcyl) efectivas sobre dicha carga; al menos una cámara de trabajo (19, 20, 21, 22) que opera según el principio de desplazamiento y ubicada en dicho accionador o unidades accionadoras, al menos un circuito de carga (HPi, HPia) de una presión más alta, que es una fuente de potencia hidráulica; al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; un circuito de control (40), por medio del cual al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más baja (LPi, LPia) pueden acoplarse, a su vez, a al menos una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22); donde cada una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22) es capaz de generar componentes de fuerza (FA, FB, FC, FD) que corresponden a las presiones de los circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) a ser acoplados a dicha cámara de trabajo, y cada componente de fuerza produce al menos una de dichas fuerzas suma, ya sea sola o en combinación con los componentes de fuerza producidos por las otras cámaras de trabajo de dicho accionador o unidad accionadora. La unidad accionadora es, por ejemplo, un dispositivo pivotante o un dispositivo rotatorio. El sistema utiliza un controlador en el control del circuito de control.

Description

SISTEMA HIDRÁULICO DIGITAL Campo de la Invención La presente invención se relaciona con un sistema de medio presurizado. La invención se relaciona con un dispositivo pivotante para controlar el movimiento pivotante de una carga. La invención se relaciona con un dispositivo rotatorio para controlar la rotación de una carga. La invención se relaciona con un método para ser usado en un sistema de medio presurizado. La invención se relaciona con un controlador para controlar un sistema de medio presurizado. Ámbito de la Invención En sistemas de medio presurizado, una carga es controlada usando accionadotes con cámaras de trabajo que tienen un área efectiva, sobre la cual actúa el medio presurizado y provoca una fuerza que, por medio del accionador, tiene efecto sobre la carga. La magnitud de la fuerza depende del área efectiva presurizada y de la presión la cual, en sistemas de medio presurizado convencionales, es controlada para producir fuerzas variables. Ejemplos típicos incluyen la transferencia, elevación y descenso de una carga, y la carga puede variar, en su forma física, de un sistema a otro, siendo, por ejemplo, parte de una estructura, un aparato o un sistema a ser sometido a movimiento. El control de presión se basa normalmente en el ajuste con una pérdida, y en soluciones controladas por resistencia convencionales, el control de fuerza del accionador se logra controlando las presiones de las cámaras de trabajo de manera continua. De este modo, las presiones son controladas estrangulando los flujos de medio presurizado que entra y sale de la cámara. El control es implementado, por ejemplo, por medio de válvulas proporcionales .
Típicamente, los sistemas convencionales tienen un lado de presión donde la presión es ajustada y que produce un caudal del medio presurizado, y un lado de retorno, que es capaz de recibir el flujo de volumen y donde el nivel de presión que prevalece es lo más bajo posible, en la llamada presión de tanque, para minimizar las pérdidas.
Los medios presurizados conocidos incluyen, por ejemplo, aceite hidráulico, aire comprimido y agua o fluidos hidráulicos de base agua. El tipo de medio presurizado no tiene limitación, pero puede variar de acuerdo con las necesidades de la aplicación y los requisitos establecidos.
Los problemas con sistemas convencionales incluyen susceptibilidad a las fallas y pérdidas de energía, particularmente pérdidas de potencia hidráulica y fallas en las válvulas de control .
Síntesis de la Invención Una finalidad de la presente invención es introducir una nueva solución para implementar un sistema de medio presurizado, que también aporte ahorros de energía significativos en comparación con la mayoría de los sistemas en uso actualmente.
La invención se relaciona con una solución que consiste en un sistema hidráulico digital basado en un método de control sin estrangulamiento, dispositivos que son aplicables en el sistema hidráulico digital, incluyendo, por ejemplo, una unidad convertidora de presión, una unidad convertidora de presión de bomba, así como métodos, circuitos de control y controladores que se aplican para controlarlos.
El sistema de medio presurizado de acuerdo con la invención se presenta en la reivindicación 1. El dispositivo pivotante de acuerdo con la invención se presenta en la reivindicación 32. El dispositivo rotatorio de acuerdo con la invención se presenta en la reivindicación 36. El método de acuerdo con la invención se presenta en la reivindicación 41. El controlador de acuerdo con la invención se presenta en la reivindicación 43.
El sistema que aporta la solución está configurado para controlar la fuerza, aceleración, velocidad o posición generada por el accionador impulsado por el medio presurizado, o para controlar la aceleración, momento, aceleración rotatoria, velocidad angular, posición y rotación de la fuerza generada por la aplicación del dispositivo que comprende varios accionadotes . Además, o alternativamente, el sistema se provee para el control de una o más unidades cargadoras de energía. Además, o alternativamente, el sistema es provisto para el control de una o más unidades convertidoras de presión y las relaciones de conversión respectivas. Además, o alternativamente, se provee el sistema para el control de una o más unidades convertidoras de energía, particularmente unidades convertidoras de presión de bomba y las respectivas relaciones de conversión.
Se provee una novedosa solución de sistema hidráulico digital basada en un método de control sin estrangulamiento, así como los dispositivos para ser aplicados al mismo. Una característica importante del sistema hidráulico digital es la recuperación de energía cinética o potencial que retorna durante los movimientos de trabajo del accionador, dentro de los circuitos de carga. El circuito de medio presurizado que se aplica al sistema hidráulico digital y que también será llamado sistema de carga a continuación, comprende dos o más circuitos de presión que tienen diferentes niveles de presión y que también son llamados circuitos de carga. Cada circuito de carga comprende típicamente una o más líneas de medio presurizado conectadas entre sí y que tienen la misma presión. En la descripción siguiente, por simplicidad, el foco estará puesto, principalmente, en la solución para el sistema que comprende dos circuitos de carga. Un experto en la técnica puede aplicar fácilmente los principios presentados a un sistema que comprenda también tres o más circuitos de carga.
Los presentes ejemplos discutirán un circuito de carga de alta presión y un circuito de carga de baja presión, que no se refieren a ningún nivel de presión absoluta específico, sino principalmente a la diferencia en la presión de dichos circuitos de carga. Los niveles de presión son seleccionados para que resulten apropiados para cada aplicación. Si el sistema comprende varios ' circuitos de carga de alta presión o de carga de baja presión, es preferible que también en este caso los niveles de presión de los circuitos de carga difieran entre sí.
Cuando se discute un circuito de carga de alta presión, se usarán también las designaciones HP, línea de HP o conexión de HP (HP=alta presión) ; y cuando se discute un circuito de carga de baja presión, también se usarán las designaciones LP, línea LP o conexión LP (LP=baja presión) . La energía necesitada por los circuitos de carga es suministrada por una o más unidades de carga. En un ejemplo, la energía es suministrada al circuito de carga por medio de uno o más convertidores de presión desde uno o más circuitos de carga.
El sistema presentado, que comprende dos o más circuitos de carga capaces de suministrar potencia y que utiliza accionadotes hidráulicos digitales basados en un método de control sin estrangulamiento, es llamado un sistema hidráulico digital de baja resistencia (LRDHS) . La potencia a ser suministrada desde uno o más circuitos de carga de un nivel de presión más baja (LP) a menudo constituye una parte sustancial de la potencia a ser utilizada en el sistema, y en consecuencia los niveles de presión de los circuitos de carga de un nivel de presión más bajo tienen un efecto significativo sobre la producción de potencia, capacidad de control y consumo de energía de los accionadores .
Es característico de cada circuito de carga que sea capaz de generar la presión requerida y de tanto alimentar como recibir un caudal. Preferiblemente, los niveles de presión de los diferentes circuitos de carga están graduados uniformemente entre sí.
Unidad de carga se refiere a un circuito de medio presurizado que lleve energía a los circuitos de carga del sistema de carga desde el exterior del sistema de carga, por medio de una unidad de bomba. El circuito de carga comprende una unidad de bomba así como un sistema valvular de control y seguridad, por medio del cual la línea de succión y la línea de presión de la unidad de bomba pueden conectarse a cualquier circuito de carga. Preferiblemente, la línea de succión y la línea de presión también pueden estar acopladas a un tanque de medio presurizado.
Normalmente, una o más unidades de carga de energía de un nivel de presión más alto están conectadas a un circuito de carga de alta presión (HP) , <y de manera correspondiente, una o más unidades de carga de energía de un nivel de presión más bajo están conectadas a un circuito de carga de baja presión (LP) . La unidad de carga es, por ejemplo, un acumulador hidráulico u otro acumulador de energía que utilice, por ejemplo, una carga por resorte o gravedad efectiva sobre la carga, o sea, energía potencial. Un acumulador de energía potencial y un accionador hidráulico digital conectado al mismo pueden usarse como una unidad cargadora de energía. El principio de operación del accionador hidráulico digital se explicará más adelante en esta descripción.
Accionadores hidráulicos digitales acoplados entre sí pueden usarse como convertidores de presión, por medio de los cuales es posible la transferencia de potencia entre diferentes circuitos de carga sin un consumo de energía significativo. Dichas unidades digitales convertidoras de presión (DPCU) también pueden utilizarse cuando un accionador en operación no interrumpida es acoplado al circuito de carga. En la unidad convertidora de presión, la transferencia de potencia se basa en el uso de las áreas efectivas de los accionadores y en el método de control sin estrangulamiento .
Acoplando la unidad convertidora de presión a una fuente de energía externa que mueve una parte móvil de la unidad convertidora de presión, dicha unidad de bomba convertidora de presión digital (DPCPU) puede usarse para suministrar energía a los circuitos de carga cuando la energía cinética es convertida por medio de dichos accionadores en energía hidráulica, o sea, a la presión y caudal del medio presurizado.
Un accionador digital se refiere particularmente a un cilindro que tiene áreas efectivas codificadas de manera binaria u otra, estando las áreas conectadas a los circuitos de carga usando diferentes combinaciones de acoplamiento y el control sin estrangulamiento . Típicamente, está en cuestión el control de fuerza o el ajuste de fuerza.
El accionamiento pivotante hidráulico digital comprende uno o más accionadores que tienen una o más cámaras y están basados en un control sin estrangulamiento, cuyos accionadores, junto con una o más cremalleras de engranaje y ruedas de engranaje acopladas a uno o más accionadores transforman el movimiento lineal en un movimiento pivotante limitado. Típicamente, está en cuestión el control del momento o ajuste del momento.
El accionamiento rotatorio hidráulico digital comprende dos o más accionadores que tienen una o más cámaras y están basados en control sin estrangulamiento y acopladas mecánicamente a un oscilador. El control de momento o ajuste de momento se logra típicamente por medio del control de fuerza de los accionadores. La unidad accionadora formada por uno o más accionadores se utiliza así como un accionador para mover una carga, como una unidad convertidora de presión, una unidad convertidora de presión de bomba, una bomba, o, simultáneamente, una combinación de cualquiera de los dispositivos mencionados. Los accionadores y las unidades accionadoras pueden estar acoplados a una carga y entre sí física o hidráulicamente, con dependencia de la aplicación.
Las ventajas técnicas y diferencias del sistema en comparación con las soluciones convencionales son claramente mejor eficiencia de energía, capacidad de control, simplicidad de los componentes y la construcción, modularidad, y control de fallas. En los sistemas convencionales controlados por resistencia, el control de fuerza del accionador se logra por medio de ajuste continuo de las presiones de las cámaras de trabajo. De este modo, las presiones son ajustadas regulando los flujos de medio que entran y salen de la cámara de trabajo. En cambio, el presente sistema comprende una manera alternativa de controlar el accionador operando con significativamente pocas regulaciones (estrangulaciones) y con válvulas simples y una estructura de sistema simple basado en el ajuste de fuerza, usando solamente niveles de presión dados predeterminados pero ajustables, discretos (por ejemplo, circuitos de carga de alta presión y baja presión) . El control de fuerza se logra ajustando la fuerza gradualmente utilizando circuitos de carga con niveles de presión graduados uniformemente y las áreas efectivas de los accionadores acopladas a los mismos. El método de control presentado, en combinación con el accionador o la unidad accionadora equipada con áreas efectivas codificadas, por ejemplo, de manera binaria u otra, permite un consumo de energía significativamente más bajo en comparación con los métodos de control convencionales. El sistema también permite velocidades máximas altas y es muy preciso en cuanto a su control y posición.
En el control de estrangulamiento proporcional convencional, la velocidad de un mecanismo conectado al accionador es ajustada de manera directamente proporcional al área de sección transversal de la abertura del elemento regulador de estrangulamiento, donde los errores en el ajuste del elemento regulador se reflejan directamente en la velocidad del mecanismo a ser ajustado. En los sistemas convencionales, un factor significativo que determina y limita la precisión de la regulación es la optimización del elemento regulador de acuerdo con la aplicación.
En el ajuste de estrangulamiento digital, pueden reducirse las imprecisiones en el ajuste de la velocidad del accionador utilizando varias válvulas de encendido/apagado (on/off) conectadas en paralelo con el elemento regulador, con lo cual, con una diferencia de presión dada, ciertos controles (llamados punto de referencia, o valor de control) de las válvulas de encendido/apagado (on/off) se logran usando ciertos valores de velocidad discretos los cuales, muy probablemente, son cercanos a los valores predichos . Así, una curva de respuesta de posición recibe ciertos coeficientes angulares, a medida que la velocidad recibe ciertos valores discretos. El error en la velocidad lograda y el grosor de la angularidad de la curva de respuesta de posición dependerán de la resolución del ajuste de velocidad, o sea, el número de aperturas disponibles y en consecuencia las válvulas disponibles.
En el sistema digital de la presente invención, basado en un control sin estrangulación y con ajuste de aceleración, la aceleración de un mecanismo acoplado al accionador es controlada en proporción a la producción de fuerza del accionador el cual, a su vez, es controlado conectando cada circuito de carga y en consecuencia también cada nivel de presión disponible a las áreas efectivas disponibles de tal modo que la producción de fuerza requerida se realiza de la mejor manera.
El ajuste de velocidad se logra por medio de una realimentación de velocidad, y la curva de respuesta de velocidad recibe ciertos coeficientes angulares cuando la aceleración recibe ciertos valores discretos el grosor de la angularidad de la curva de respuesta de velocidad dependerá de la resolución del ajuste de aceleración. Así, la curva de respuesta de posición será matemáticamente un grado más controlada en comparación con el control de velocidad directo por estrangulación.
En el presente sistema, puede lograrse, teóricamente, cualquier valor de velocidad, siendo el error de velocidad restante muy pequeño. Los factores que limitan la resolución del ajuste de velocidad son de este modo la resolución del control de aceleración, el período de muestreo del sistema de control, los tiempos de respuesta de las interfaces de control, el tiempo que toman los cambios de estado de las cámaras de trabajo, y la precisión de medición de los sensores. La resolución del ajuste de aceleración dependerá del número de cámaras de trabajo disponibles y la codificación de sus áreas, así como del número de circuitos de carga a ser conectados a la cámara de trabajo y que tienen diferentes niveles de presión, así como los niveles de presión de los circuitos de carga y las relaciones y diferencias entre los niveles de presión de los circuitos de carga. Por otro lado, cualquier imprecisión en la estrangulación del elemento regulador, provocada por ejemplo por variación en la fuerza o presión de la carga, y cualquier error de ajuste - provocado por estas no tendrá lugar en el presente método de control hidráulico digital. En este respecto, el sistema tiene, bajo todas las circunstancias, excelente capacidad de control y manejo en comparación con los sistemas convencionales que son controlados por estrangulamiento .
Cuando el sistema comprende varias accionadores separados que tienen efecto sobre la misma parte o sobre el mismo punto de impacto o diferentes puntos de impacto en la misma parte, ya sea desde la misma dirección o desde direcciones diferentes, la fuerza producida por cada accionador puede ser controlada separadamente, independientemente una de otra, o teniendo un efecto una sobre otra, para obtener una dirección o magnitud deseada de la fuerza suma, es decir la fuerza total, generada por los accionadores. Dicha fuerza suma es efectiva sobre la pieza o parte actuando como una carga, y provoca una aceleración, una desaceleración, o la cancelación de la fuerza de carga. Para hacer que dicha fuerza suma tenga una magnitud y una dirección deseadas, el sistema de control tiene que graduar el control de la fuerza de los accionadores en base a una variable o variables medida (s) del sistema o determinada (s) de otro modo.
Los usos del sistema pueden variar casi sin límites, pero las aplicaciones típicas de los accionadores hidráulicos digitales incluyen diversas aplicaciones de movimiento pivotante, rotación, elevación, descenso, transmisión de fuerza impulsora y compensación de movimiento, tales como, por ejemplo, compensación de marejadas. El sistema es más apropiado para usos en los cuales hay masas inerciales relativamente significantes a ser aceleradas y desaceleradas con relación a la producción de fuerza del accionador, donde pueden obtenerse considerables ahorros de energía. El sistema también es muy apropiado para ser usado donde hay varios accionadores a ser controlados, actuando simultáneamente en niveles de carga variables.
Los usos del presente sistema también pueden incluir aplicaciones en las cuales el accionador se usa para generar una fuerza de retención de tal modo que el accionador se rinde a los estímulos externos o, alternativamente, los resiste, o sea, tiende a generar una contra-fuerza de una magnitud correspondiente y en consecuencia mantener estacionaria a la pieza móvil. El número de accionadores a ser usados en el mismo- sistema puede variar, así como el número de accionadores a ser conectados a la misma parte de la misma pieza o mecanismo. En particular, el número de accionadores conectados de la misma pieza o parte (por ejemplo, bastidor de la máquina) a la misma pieza o parte (por ejemplo, un aguilón o un brazo elevador) es significante en vista de las propiedades de control, consumo de energía y el control óptimo de fallas de la unidad accionadora formada entre dichas piezas.
Breve Descripción de los Dibujos La invención será descrita en más detalle por medio de algunos ejemplos y con referencia a los dibujos anexos .
La figura 1 ilustra un sistema de acuerdo con un ejemplo de la invención, que utiliza un accionador que es un cilindro que comprende cuatro cámaras de trabajo y es impulsado por medio presurizado.
La figura 2 ilustra una tabla de estado que se usa para controlar el sistema ilustrado en la figura.
La figura 3 ilustra los grados de fuerza generados por el sistema ilustrado en la figura 1.
La figura 4 ilustra la funcionalidad de los coeficientes de ajuste del control del sistema.
La figura 5 ilustra un controlador que se utiliza para controlar el sistema.
La figura 6 ilustra un controlador alternativo para ser usado en el control del sistema.
La figura 7 ilustra otro controlador alternativo para controlar el sistema.
La figura 8 ilustra la operación de un convertidor de control para ser usado en el control del sistema .
La figura 9 ilustra un dispositivo pivotante de acuerdo con un ejemplo de la invención.
La figura 10 ilustra un motor de bomba excéntrica de acuerdo con un ejemplo de la invención.
La figura 11 ilustra un sistema de acuerdo con otro ejemplo de la invención.
La figura 12 ilustra el principio de operación de un convertidor de presión de bomba.
Las figuras 13a-13d ilustran accionadores para usados en el sistema de la figura 11.
La figura 14 ilustra un convertidor de presión de bomba de acuerdo con un ejemplo, que comprende cuatro cámaras.
La figura 15 ilustra un convertidor de presión de acuerdo con un ejemplo, que comprende cuatro cámaras.
La figura 16 ilustra un convertidor de presión de acuerdo con un ejemplo, que comprende cuatro cámaras y controlado por circuitos de control.
La figura 17 ilustra un convertidor de presión de bomba de acuerdo con un ejemplo, que comprende ocho cámaras y que es controlado por una conexión cruzada.
La figura 18 ilustra un convertidor de presión de bomba de acuerdo con un ejemplo, que comprende ocho cámaras y está siendo controlado por un circuito de control.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Interfaz de Control La entrada y retorno del medio presurizado hacia y desde el accionador se controlan por medio de interfaces de control. El accionador comprende una o más cámaras de trabajo que operan según el principio de desplazamiento. Cada interfaz de control tiene una ó más válvulas de control conectadas en paralelo. Las válvulas de control son preferiblemente válvulas de corte rápido con una pérdida de presión considerablemente baja, por ejemplo válvulas de encendido/apagado (on/off) controladas eléctricamente, y si las válvulas están en paralelo sobre la misma línea, juntas determinarán el caudal en la línea. Con dependencia del control, cada cámara de trabajo del accionador es separadamente cortada o conectada por medio de las interfaces de control a un circuito de carga, por ejemplo un circuito de carga de alta presión o un circuito de carga de baja presión en un sistema de presión dual. Este método de control, en el cual las interfaces de control que llevan a la cámara de trabajo del accionador y comprenden una o más válvulas siempre están completamente abiertas o completamente cerradas, es llamado, en esta descripción, método de control sin estrangulación.
Las interfaces de control operan de tal modo que la válvula, o todas las válvulas paralelas, de la interfaz de control, son controladas para estar abiertas o cerradas. El control de la interfaz de control puede así ser binario, donde el ajuste es uno (interfaz de control abierta, encendida) o cero (interfaz de control cerrada, apagada) . La señal de control eléctrica necesaria para la válvula puede ser generada sobre la base del ajuste.
Accionador hidráulico digital La operación del sistema de control del accionador digital requiere que el sistema comprenda de al menos un accionador con al menos una cámara de trabajo. El componente de fuerza generado por la cámara de trabajo está basado en el área efectiva de la cámara de trabajo y en la presión efectiva en la cámara de trabajo. La magnitud de la fuerza suma generada por el accionador es el producto calculado de dichos factores. En esta incorporación, preferiblemente, la fuerza de carga de la carga controlada por el accionador, o sea, la fuerza efectiva sobre el accionador, es de magnitud más intensa que el componente de fuerza opuesta generado por la presión del circuito de carga de baja presión del accionador, y de magnitud más pequeña que el componente de fuerza opuesto generado por la presión del circuito de carga de alta presión en el accionador, para lograr un control de fuerza con al menos dos niveles para controlar la carga.
En una incorporación, el sistema comprende al menos un accionador con al menos dos cámaras de trabajo, cuyas áreas efectivas difieren entre sí de modo que se logra un control de fuerza con al menos cuatro niveles en un sistema de presión dual. Los componentes de fuerza generados por las diferentes cámaras de trabajo son efectivos en la misma dirección o en direcciones diferentes, con dependencia del sistema y del comportamiento de la carga a ser controlada. Cada cámara de trabajo es capaz de generar dos componentes de fuerza desiguales. En un sistema que comprende dos niveles de presión, la relación entre las áreas es preferiblemente 1:2, para lograr control de fuerza de niveles de paso o etapa uniformes . Se logra un sistema correspondiente con dos accionadores de cámara simple que satisfagan, por ejemplo, la relación 1:2 entre las áreas. Se obtienen más niveles de fuerza, por ejemplo, aumentando el número de cámaras de trabajo, ya sea en el mismo accionador como agregando accionadores separados y conectándolos a la misma carga.
También se obtienen más niveles de fuerza aumentando el número de circuitos de carga con diferentes niveles de presión acoplados al accionador. En este caso, el número de componentes de fuerza y simultáneamente los niveles de fuerza producidos por el accionador es una función de la potencia, en la cual el número base es el número de circuitos de carga con diferentes niveles de presión conectados al accionador, y el índice es el número de cámaras de trabajo en el accionador. Preferiblemente, las áreas efectivas de las cámaras de trabajo difieren entre sí, y los niveles de presión de los circuitos de carga conectados al accionador difieren entre sí.
También preferiblemente, las relaciones entre las áreas efectivas de las cámaras de trabajo siguen una serie MN, en la cual el número base M es el número de circuitos de carga a ser conectados al accionador, y N es un grupo de números naturales (0, 1, 2, 3, ...n) , donde también los niveles de presión de los circuitos de carga que pueden acoplarse a las mismas son graduados uniformemente, para lograr un control de fuerza graduado uniformemente, cuando las áreas efectivas son acopladas al circuito de carga de alta presión o al circuito de carga de baja presión, o a otros circuitos de carga utilizando diversas combinaciones conectoras.
Particularmente en un sistema que comprende dos circuitos de carga (un circuito de carga de alta presión y un circuito de carga de baja presión) , las relaciones entre las áreas efectivas de las cámaras de trabajo siguen preferiblemente la serie MN, en la cual el número base M es 2 y el índice N es el grupo de números naturales (0, 1, 2, 3, ...n) ; o sea, la serie 1, 2, 4, 8, 16, etc. formada por los coeficientes de ponderación de bits en el sistema binario, para lograr un control de fuerza graduado uniformemente, cuando las áreas efectivas son acopladas al circuito de carga de alta presión o el circuito de carga de baja presión, utilizando diversas combinaciones de acoplamiento.
Graduado uniformemente significa que el paso de un nivel de fuerza al próximo o de un nivel de presión al próximo tiene una magnitud constante. Los niveles de fuerza se conforman como varias combinaciones de varios componentes de fuerza generados en el accionador, que forman una fuerza suma. Las relaciones entre las áreas también pueden seguir una serie diferente, por ejemplo la serie 1, 1, 3, 6, 12, 24, etc., o una serie de acuerdo con los métodos codificadores Fibonacci o PNM. Aumentando las áreas iguales o, por ejemplo, áreas diferentes de la serie binaria, es posible obtener más niveles de fuerza, pero al mismo tiempo, se obtienen también estados redundantes que no aumentan nuevos niveles de fuerza sino que se logra la misma fuerza suma del accionador por medio de dos o más combinaciones de acoplamiento de las interfaces de control.
El número de combinaciones de acoplamiento se forma en función de la potencia de tal modo que el número base es el número de diferentes niveles de presión a ser acoplados a las cámaras de trabajo, y el índice es el número total de cámaras de trabajo. El sistema comprende al menos un accionador que sea efectivo sobre la carga. Cuando se usan dos accionadores con 4 cámaras en un sistema de presión dual, el número de estados y combinaciones de acoplamiento del sistema aumenta a la cifra de 28 = 256, porque el número total de cámaras de trabajo es 8. Si dos o más accionadores idénticos son acoplados para ser efectivos sobre el mismo punto de acción en la carga, los estados del sistema son, en su mayoría, redundantes uno con respecto a otro. Dichos accionadores son efectivos sobre la carga desde la misma dirección o desde direcciones opuestas, y las cámaras de trabajo correspondientes de accionadores idénticos tienen el mismo tamaño. Si accionadores diferentes son efectivos sobre el mismo punto de acción desde diferentes direcciones, es posible ajustar la magnitud y dirección de la fuerza suma efectiva sobre la carga de una manera deseada. Si los accionadores diferentes están acoplados a diferentes puntos de acción en la carga, la magnitud y dirección de la fuerza suma efectiva sobre la carga así como la magnitud y dirección del momento pueden ajustarse según se desee.
Una incorporación compacta particular de la invención, que tiene varios niveles suficientes para el ajuste y que puede ser aplicada de manera versátil, comprende un accionador con cuatro cámaras de trabajo, siguiendo las relaciones de sus áreas efectivas la serie binaria 1, 2, 4 y 8, donde se logra un control de fuerza nivel 16, que es graduado uniformemente. El accionador también está configurado de tal modo que aquellos componentes de fuerza generados por sus cámaras de trabajo, que tienen el área efectiva más grande y la segunda área efectiva más pequeña, tienen efecto en la misma dirección. Los componentes de fuerza generados por las otras cámaras de trabajo tienen dirección opuesta.
En este contexto, control de fuerza o control de momento o control de aceleración se refieren al control de la fuerza o momento o aceleración, dado que, con ciertas combinaciones de acoplamiento de las interfaces de control, el sistema siempre produce una fuerza o momento dado, cuyo logro no requiere un acoplamiento de realimentación. Con un accionador cuya producción de fuerza puede seleccionarse gradualmente, es fácil implementar un control de aceleración gradual, en el cual la aceleración es directamente proporcional a la llamada fuerza efectiva formada por una suma de la fuerza suma generada por el accionador y los otros componentes de fuerza efectivos sobre la carga. En el control de aceleración, el sistema necesitará, para la realimentación, las magnitudes de la fuerza de carga que carga el sistema y de la masa inercial de la carga, para concluir la fuerza suma producida, en la cual se torna verdadera la aceleración de carga deseada. No obstante, en la manera más fácil, el presente sistema puede usarse en aplicaciones en las cuales la masa inercial de la carga permanece aproximadamente constante, donde el único dato que queda para la realimentación es la fuerza de carga que carga el sistema.
El sistema controlado por aceleración puede expandirse a uno controlado por velocidad por medio de un acoplamiento de realimentación de velocidad. El sistema controlado por velocidad puede expandirse más a uno controlado por posición por medio de un acoplamiento de realimentación de posición.
Un requisito para lograr la reproducibilidad con un valor guía dado que es seleccionado al azar para la aceleración, aceleración angular, velocidad, velocidad angular, posición o rotación, es que con el valor cero (0) para el control relativo del sistema, la aceleración del accionador debe ser aproximadamente cero. La aceleración de la parte móvil del accionador, controlado por fuerza con un valor de control constante discreto es, no obstante, dependiente en gran medida de la fuerza de carga que carga al accionador. En consecuencia, debe agregarse un término al valor de control para compensar la fuerza de carga, y este término es llamado, en este documento, el punto cero de aceleración del control. Con este valor de control, la aceleración del accionador y, simultáneamente, de la carga se mantiene lo más cercana a cero posible. La generación del término compensador es implementada empíricamente, estimando el efecto de la fuerza de carga, por tabulación, aplicando ajuste integrador, por estimación partiendo de datos de sensor.
Dado que el sistema es capaz de producir solamente valores de control discretos para controlar las interfaces, no es posible necesariamente mantener la carga a ser controlada por el sistema totalmente estacionaria por medio de cualquier control discreto dado, sino que 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 pérdidas, sino que se consume energía, entre otras cosas, debido a la compresibilidad del medio presurizado cuando se eleva el nivel de presión en cualquier cámara de trabajo. Por lo tanto, preferiblemente para mantener la carga y el mecanismo respectivo en su lugar, todas las interfaces de control son apagadas, de modo que el mecanismo es trabado de manera estacionaria en el llamado estado de traba. Es práctico implementar esta función de tal modo que la prioridad del control del estado de traba sea más alta que la del control de las interfaces de control, y que dichos controles no se afecten entre sí. Cuando se enciende el estado de traba, todas las interfaces de control son apagadas, independientemente de la que hubiera sido la combinación de acoplamiento de las interfaces de control en caso que no se hubiera encendido el estado de traba.
Excluyendo el estado de traba, los estados de los niveles de presión de las cámaras de trabajo pueden estar representados por los números cero (0) , que se refiere a la presión más baja (por ejemplo, conexión al circuito de carga de alta presión) , y uno (1) , que se refiere a la presión más alta (por ejemplo, conexión al circuito de carga de baja presión) . De este modo, los estados de las cámaras de trabajo pueden expresarse de manera no ambigua por un solo número binario en cada momento de tiempo, cuando, además, se hace referencia a las cámaras de trabajo en un orden predeterminado. El número binario consiste de cuatro numerales, si hay 4 cámaras de trabajo. En esta descripción, el control digital se refiere a un método de control, en el cual se usan dos o más niveles de presión, y el accionador o la unidad accionadora que los utiliza tiene un número limitado de niveles de fuerza discretos, cuyo número se basa en el número de cámaras de trabajo y particularmente las combinaciones de diferentes niveles de presión conectados a las diferentes cámaras de trabajo .
Como los estrangulamientos de los flujos volumétricos carecen de mucha importancia, el sistema permite velocidades máximas altas, cuando la carrera de pistón del accionador es larga. Las altas velocidades del pistón del accionador requieren flujos volumétricos altos dentro o fuera de las cámaras de trabajo del accionador, de acuerdo con el principio de desplazamiento. Por esta razón, las válvulas de control deben, si es necesario, pasar los flujos volumétricos lo más altos posibles para introducir medio presurizado en la cámara de trabajo que se expande a la velocidad necesaria desde el circuito de carga deseado sin que suceda cavitación perjudicial .
Un accionador equipado con áreas efectivas basadas en la serie binaria es, utilizando el llamado control sin estrangulamiento, útil en aplicaciones en las cuales la masa inercial de la carga reducida al accionador es grande. Así, grandes cantidades de energía cinética se ligan a la carga durante las aceleraciones y energía potencial en movimientos de elevación, pudiendo esta energía, en conexión con la desaceleración o disminución de la carga, ser devuelta a cualquiera de los circuitos de carga y utilizada nuevamente. Gracias al método de control sin estrangulamiento y al uso de áreas efectivas, esto es posible y también puede implementarse independientemente de la magnitud de la fuerza de carga estática, en la medida que el valor de la fuerza de carga estática esté dentro de la gama de producción de fuerza del accionador. La gama de producción de fuerza se refiere aproximadamente a la gama de producción de fuerza que queda entre los valores máximo y mínimo de las fuerzas discretas que pueden lograrse en cada vez.
Los mayores beneficios del sistema se obtienen en grandes movimientos que reúnen y liberan fuerzas, por ejemplo en los accionamientos pivotantes, en los cuales es necesaria una fuerza o momento fuerte para acelerar una gran masa pero en los cuales es necesaria una fuerza o momento muy débil durante el movimiento uniforme, y se requiere una fuerte fuerza o momento de frenado en una etapa de frenado. La ventaja aquí es que durante el movimiento uniforme, el sistema utiliza muy poca potencia, y solamente necesitan ser compensadas las pérdidas de fricción y viscosidad. El control es efectuado seleccionando las áreas efectivas apropiadas y la presión efectiva sobre las mismas desde el circuito de alta presión o el circuido de baja presión para su uso. En consecuencia, se selecciona así un nivel de fuerza apropiado para cada situación de control.
El sistema también ahorra energía del mismo modo en estas aplicaciones, por ejemplo en aplicaciones de elevación o transmisiones de manejo (por ejemplo, subiendo o bajando un cerro) , en las cuales una fuerza o momento claramente distinto de cero, una así llamada fuerza de retención o momento de retención, es necesaria para producir la aceleración cero de la carga. Así, durante el movimiento uniforme en una dirección la energía es impuesta a la carga o a un mecanismo relacionado con la misma, por medio de conducir medio presurizado desde el circuito de carga del nivel de presión más alto al accionador o la unidad accionadora. Al mismo tiempo, la energía es transferida al circuito de carga del nivel de presión más baja, al cual está acoplada la cámara de trabajo compresora del accionador. Al moverse en la dirección opuesta, la energía es devuelta desde la carga o mecanismo al sistema, cuando el medio presurizado vuelve del accionador a un circuito de carga. Así, durante el movimiento uniforme, las áreas efectivas del accionador pueden seleccionarse de modo que la fuerza suma generada por el accionador sea cercana a la fuerza de retención o momento de retención necesaria, pero de tal modo que la entrada de potencia en el sistema cubre las pérdidas de fricción y viscosidad.
En comparación con los sistemas convencionales, el presente sistema ahorra energía también en aplicaciones que presentan pérdidas, las cuales pueden incluir, por ejemplo, movimientos con alta fricción, tales como la propulsión o tracción de una pieza sobre superficies con fricción. En este caso, se seleccionan un control y un área efectiva respectiva tales para ser usados por cada accionador en diferentes situaciones, que contrarresten la fuerza o momento de fricción que resiste el movimiento y produce la velocidad cinética deseada. Así, cada accionador siempre es dimensionado óptimamente con relación a las presiones de los circuitos de carga usados, donde cada accionador consume la menor cantidad de energía posible.
Debido a las pérdidas por fricción y de viscosidad y a las pérdidas en cambios de estado de las interfaces de control, toda la entrada de energía en el sistema no puede devolverse al circuito de carga.
El método para controlar el sistema efectúa automáticamente la mayor recolección de energía posible cada vez cuando se libera la energía cinética o potencial de la carga o del sistema mecánico relacionado con la misma, por ejemplo durante las etapas de frenado y/o disminución de la masa inercial. Así, las áreas y cámaras de trabajo efectivas que generaron previamente los componentes de fuerza acelerando y/o levantando la masa inercial, contribuyen a la recolección de energía. Dichas cámaras de trabajo están conectadas por medio de la interfaz de control al circuito de carga, al cual va a devolverse o transferirse la energía.
Sistema de Carga En vista de la operación y los ahorros de energía del sistema, es esencial que todos los circuitos de carga conectados al accionador hidráulico digital sean capaces de suministrar y recibir caudal sin cambiar radicalmente los niveles de presión de los circuitos de carga.
Por medio del sistema de carga, es posible transferir energía entre dichas unidades cargadoras de energía siempre que sea necesario. Si el ciclo de trabajo del sistema está ligado a la energía (elevación de una carga, por ejemplo un bulto, a un nivel más alto) , la energía requerida es introducida en el sistema, por ejemplo, bombeando medio presurizado, por ejemplo desde el circuito de baja presión al circuito de alta presión por medio de una unidad de bomba, si el ciclo de trabajo es liberador de energía (descenso de una carga, por ejemplo un bulto, a un nivel más bajo) , dicha energía puede convertirse en potencia hidráulica y ser utilizada de acuerdo con la necesitad o almacenada en una unidad cargadora de energía. Si no es posible el almacenamiento, la potencia hidráulica es reconvertida, por ejemplo, energía cinética haciendo rotar un motor o un generador eléctrico de tal modo que el medio presurizado sea conducido del circuito de alta potencia al circuito de baja potencia. La conversión es llevada a cabo, por ejemplo, por medio de dicha unidad de carga o de otro convertidor de energía correspondiente. El ciclo de trabajo de cualquier accionador del mismo sistema puede comprender ambas etapas de trabajo, o sea estar ligado al aporte de energía (por ejemplo aceleración de una masa, elevación de una carga) y liberación de energía (por ejemplo, frenado de una masa, descenso de una carga) . Cuando el sistema comprende varios accionadores , los distintos accionadores pueden tener etapas de trabajo de aporte de energía y de liberación de energía al mismo tiempo.
Un sistema sensor de carga (sistema LS) es la solución más típica de acuerdo con la técnica previa, que es un sistema independiente de la presión de carga y controlado por el caudal, y permite una pérdida de presión consistente en no solamente la presión de carga sino también una pérdida de presión del sistema de tuberías y el ajuste de diferencia de presión del control de estrangulamiento del caudal del medio presurizado (típicamente alrededor de 14 a 20 bar) . En accionamientos acoplados en paralelo, la presión de operación del sistema se ajusta, en un sistema operando normalmente bajo varios accionamientos paralelos simultáneamente, de acuerdo con el nivel de presión de carga más alto, y de acuerdo con el accionador, la diferencia de presión sobre el estrangulamiento de control del caudal se mantiene constante por medio de los compensadores de presión, y la energía es así desperdiciada en la forma de pérdidas en los mismos.
Como el sistema hidráulico digital basado en un método de control sin estrangulamiento comprende varios accionadores cuyos ciclos de trabajo pueden colocarse casi de cualquier modo uno con respecto a otros en tiempo, el sistema es claramente más eficiente en energía que el sistema de sensor de carga (LS) de acuerdo con la técnica previa. En el sistema hidráulico digital, es posible en cada accionador seleccionar un área efectiva apropiada para el uso, con dependencia del nivel de presión disponibles y la necesidad de producción de fuerza, para lograr la producción de fuerza y la velocidad cinética deseadas con el mínimo consumo de energía.
El sistema hidráulico digital tampoco es sensible a la interferencia provocada por las variaciones de presión en los circuitos alimentadores de presión (circuitos de carga) ya que el sistema se adapta a ellos utilizando las áreas efectivas. Tanto en los sistemas convencionales como en el novedoso presente sistema, los niveles de presión de los circuitos de carga pueden variar claramente cuando la necesidad de potencia de los accionadores excede la capacidad de producción de potencia de la unidad de carga. En el sistema hidráulico digital presentado, las presiones de los circuitos de carga pueden variar libremente dentro de ciertos límites y la capacidad de ajuste permanece aún buena, y las variaciones de presión no tienen un efecto significativo sobre el consumo de energía. Preferiblemente, las presiones de los circuitos de carga se miden continuamente, para conocer la combinación de las cámaras de trabajo del accionador para lograr la fuerza suma deseada. Así, la cantidad de energía consumida también cumple exactamente con la necesidad. En el sistema presentado, las variaciones de presión de los circuitos de carga solamente causan problemas si los cambios son tan fuertes que la fuerza de carga estática ya no está dentro de la gama de producción del accionador.
Ejemplo 1 de un sistema hidráulico digital La figura 1 ilustra un ejemplo de un sistema que es un sistema hidráulico digital basado en el método de control sin estrangulamiento y consiste en un accionador de cilindro de cuatro cámaras impulsado por medio presurizado, circuitos de carga, unidades de carga de energía, y válvulas de control de interfaces de control.
El sistema comprende, como circuitos de carga, una línea HP (línea de alta presión, línea P) 3 y una línea LP (línea de baja presión, línea T) 4, una línea 5 conectada a la cámara A del accionador, una línea 6 conectada a la cámara B del accionador, una línea 7 conectada a la cámara C del accionador, y una línea 8 conectada a la cámara D del accionador. Se suministra potencia hidráulica a los circuitos de carga 3 y 4, por ejemplo, por medio de una unidad de carga, cuya operación se describirá más abajo.
El sistema también comprende interfaces de control para controlar la conexión de cada cámara a la línea HP y la línea LP; en otras palabras, la interfaz de control 9 (que controla la conexión HP/P-A) , interfaz de control 10 (A-LP/T) , interfaz de control 11 (HP/P-B) , interfaz de control 14 (C-LP/T) , interfaz de control 15 (HP/P-D) , e interfaz de control 16 (D-LP/T) .
El sistema también comprende un acumulador HP 17 conectado a la línea HP 3, y un acumulador LP 18 conectado a la línea LP 4. En este ejemplo, el sistema comprende un accionador compacto 23 con cuatro cámaras de trabajo, de las cuales dos (A, C) operan en la misma dirección, extendiendo el cilindro usado como accionador 23, y dos cámaras de trabajo (B, D) que operan en la dirección opuesta, retrayendo el cilindro. El accionador 23 tiene una cámara A 19, una cámara B 20, una cámara C 21, y una cámara D 22. A su vez, el accionador 23 es efectivo sobre una pieza que actúa como carga L.
La línea HP se ramifica hacia cada línea de cámara de trabajo 5, 6, 7 y 8 del accionador por medio de las interfaces de control de alta presión 9, 11, 13 y 15, respectivamente. La línea LP se ramifica hacia cada línea de cámara de trabajo 5, 6, 7 y 8 del accionador por medio de las interfaces de control de baja presión 10, 12, 14 y 16, respectivamente. Las líneas 5, 6, 7 y 8 están conectadas directamente con las cámaras de trabajo 19, 20, 21 y 22, respectivamente. Si es necesario, una válvula de control de presión puede ser conectada a la línea de cada cámara de trabajo. Dichas líneas 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 también está configurado, con respecto a las áreas de las cámaras de trabajo, de tal manera que los valores de área proporcionados al área más pequeña siguen los coeficientes de ponderación del sistema binario (1, 2, 4, 8, 16, etc.), de modo que el accionador 23 también es llamado codificado binario. La codificación binaria de las áreas es, en vista del control de fuerza implementado por el control digital, la manera más ventajosa de codificar las áreas para obtener, con el mínimo número de cámaras de trabajo, el máximo número de niveles de fuerza diferentes de modo que las fuerzas sean graduadas uniformemente. El accionador tiene cuatro cámaras de trabajo, y cada cámara de trabajo puede utilizarse en dos estados diferentes que pueden ser llamados el estado de alta presión y el estado de baja presión (correspondientes a dos componentes de fuerza diferentes) , donde solamente la línea HP 3 o la línea LP 4 es conectada a cada cámara de trabajo.
Los componentes de fuerza FA, FB, Fc, FD producidos por las cámaras de trabajo se ilustran en la figura 1. Los estados también pueden ser indicados por cero (0, estado de baja presión) y uno (1, estado de alta presión) . En este caso, el número de combinaciones de estados es 2n, donde n es el número de cámaras de trabajo, y se logran 16 diferentes combinaciones de estado de cámaras de trabajo en dicho ejemplo, de modo que 16 diferentes fuerzas suma pueden ser generadas por el accionador, siendo las magnitudes de las fuerzas graduadas uniformemente desde la más pequeña a la más grande, gracias a la codificación binaria. No hay estados redundantes, porque cada nivel de fuerza puede ser producido solamente por una sola combinación de estado, gracias a la codificación binaria. Tampoco hay componentes de fuerza de iguales valores absolutos, porque todas las cámaras de trabajo son diferentes entre sí. En este ejemplo, las direcciones de acción de los diferentes componentes de fuerza son en parte opuestas, y su fuerza suma determina la fuerza generada por el accionador y su dirección de acción, junto con los niveles de presión de los circuitos LP y HP. Por lo tanto, ajustando los niveles de presión LP y HP, el accionador puede usarse para generar fuerzas suma en una de las direcciones solamente o en dos direcciones opuestas . La dirección en la cual se desea o necesita que las fuerzas sumas sean usadas dependerá de la aplicación.
En otros ejemplos de incorporación, también otros circuitos de carga pueden conectarse a cada cámara de trabajo, por ejemplo varias líneas HP o líneas LP o ambas.
Un controlador incluido en el sistema de la figura 1 controla la operación del accionador y puede ser parte de un sistema de control más grande que controla el sistema de la figura 1 para proveer una secuencia de operación deseada, con relación a la producción de una fuerza, momento, aceleración, aceleración angular, velocidad, velocidad angular, posición o rotación deseadas. Si el sistema comprende varios accionadores , también tendrá respectivos controladores para ellos. Puede aportarse un valor guía automática o manualmente, por ejemplo por medio de un joystick (palanca de comando) . El sistema de control comprende típicamente un procesador programado que sigue los algoritmos deseados y recibe los datos de medición necesarios de sensores para el control de los accionadores . El sistema de control controla, por ejemplo, a los controladores de acuerdo con la funcionalidad deseada del sistema.
Las diferentes combinaciones de acoplamiento, con las cuales el accionador produce diferentes fuerzas suma, de las válvulas, por medio de las cuales las interfaces de control 9 a 16 son implementadas , están dispuestas en un llamado vector de control en el controlador, de modo que las fuerzas suma producidas con los diferentes estados de las válvulas están en un orden de magnitud, por ejemplo como se ilustra en la figura 2. Esto es posible, en el caso de un cilindro 23 con áreas codificadas binarias, usando un número binario creciente de 4-bit en la selección de los estados de las cámaras de trabajo, donde también los bits que indican el estado de las cámaras de trabajo 20 y 22 efectivas en la dirección negativa (el cilindro acortándose) son convertidos en sus complementos. En el número binario usado para seleccionar los estados de las cámaras de trabajo y para controlar el accionador, la significación de cada bit es proporcional a las áreas efectivas de las cámaras de trabajo. De este modo, la fuerza suma producida por el accionador puede ser controlada en proporción a la indexación de la combinación de control seleccionado del el vector de control, en dicho vector de control. La combinación de control se refiere a la combinación de controles de las interfaces de control .
La figura 2 ilustra un ejemplo de una tabla de estado de un accionador de cilindro con cuatro cámaras, correspondiente al sistema de figura 1. Las áreas efectivas de las cámaras de trabajo son codificadas con coeficientes de ponderación binarios; A: B : C : D=8 : 4 : 2 : 1. En base a la tabla de estado, puede verse como las superficies efectivas bajo diferentes presiones cambian a intervalos constantes cuando de procede de un estado al próximo. Por esta razón, la respuesta de fuerza producida por el accionador también es graduada uniformemente .
En la columna "u%" , el índice para los controles diferentes está dado como un número decimal. En la columna "dec 0...15", se da el número decimal que corresponde al número binario formado partiendo de los estados binarios (HP, LP) de las cámaras de trabajo. En las columnas A, B, C, y D, los estados binarios de las cámaras son expresados de tal modo que el bit de estado 1 representa alta presión (HP) y el bit de estado 0 representa baja presión (LP) . En las. columnas "a/HP" y "a/LP", las áreas efectivas conectadas a las presiones HP y LP del accionador están indicadas en números relativos, suponiendo que se cumplan dichas relaciones de área. En la columna "dec 0...255", se da el número decimal que corresponde al número binario formado partiendo de los estados binarios de la interfaz de control. Las columnas A-LP, HP-A, B-LP, HP-B, C-LP, HP-C, D-LP y HP-D contienen los estados binarios de las interfaces de control correspondientes a cada control (1, abierto, y 0, cerrado). Es obvio que con un número creciente de estados de las cámaras de trabajo, cuando se aumenta el número de los circuitos de carga, los estados pueden estar representados, por ejemplo, por el sistema ternario (números 0, 1, 2), el sistema cuaternario (números 0, 1, 2, 3), o de otro modo .
La figura 3 ilustra gráficos de fuerzo para el caso presentado en el ejemplo de tabla de estado de la figura 2 y para un accionador de cilindro de cuatro cámaras con áreas codificadas idealmente de acuerdo con, por ejemplo, la figura 1. En este ejemplo más detallado, el diámetro del pistón de cilindro es 85 mm, la presión del circuito HP es 14 MPa, y la presión del circuito LP es IMPa. El gráfico más alto ilustra., en orden de magnitud, las fuerzas suma generadas por el accionador, que se logran con diferentes combinaciones de acoplamiento de las cámaras de trabajo combinando las cámaras de trabajo con el circuito HP y LP de acuerdo con la tabla de estado de la figura 2 .
En el diagrama inferior, la curva más alta ilustra la producción de fuerza del accionador con la representación de las fuerzas suma como una función continua. La curva inferior ilustra la producción de fuerza efectiva proporcional a la aceleración del pistón o vastago de pistón del accionador, la cual puede calcularse agregando el efecto de una fuerza de carga externa, , que en esta caso es de compresión o resistencia a la extensión del accionador, a la fuerza suma producida por el accionador. La fuerza de carga dependerá de la aplicación y de la carga provocada por la pieza a ser controlada. En este ejemplo, la fuerza externa de compresión se supone negativa; en otras palabras, hace caer la curva de la fuerza efectiva hacia abajo, y la fuerza de tracción externa, a su vez, eleva la curva de la fuerza efectiva hacia arriba y, en este ejemplo, contribuye a la extensión del accionador. En base a los gráficos, puede recuperarse un valor aproximado para esos valores de control o valores de control, en los cuales la fuerza efectiva o aceleración medida es cero. El punto de fuerza cero se refiere al valor aproximado para el valor guía, en el cual la fuerza efectiva producida por el accionador es cero. El punto de aceleración cero se refiere al valor de control, en el cual la aceleración de la parte móvil del accionador es cero. En el caso de un accionador a cilindro, la parte móvil es su pistón y vástago de pistón, estando su . armazón estable, si la carga es conectada al vastago de pistón. Por otro lado, la parte móvil puede ser el bastidor que se mueve en relación con el pistón y el vastago de pistón, si la carga es conectada al armazón En el caso de un accionador binario, la curva de la figura 3 es una función continua que es un polinomio de primer orden, o sea, una línea recta.
Ejemplo II de un sistema hidráulico digital La figura 11 ilustra un ejemplo de un sistema que también es un sistema hidráulico digital basado en el método de control sin estrangulación. El otro sistema a modo de ejemplo comprende uno o más de los accionadores de la figura 11. En la figura 11 la numeración de componentes corresponde a la numeración de la figura 1 en la medida que haya un componente correspondiente. Así el sistema es un sistema que aplica accionadores hidráulicos digitales basados en el método de control sin estrangulación. El sistema comprende al menos un accionador 23 y dos o más circuitos de carga 3, 4 y 121, desde los cuales puede suministrarse potencia hidráulica a las cámaras de trabajo de los accionadores 23. El accionador 23 junto con el circuito de control 40 (DACU) también puede usarse como parte de una unidad de carga de energía; un ejemplo es la carga de la energía potencial en un resorte 113 o en una carga L. La carga L también puede referirse a una carga que es controlada, por ejemplo, por medio del control de fuerza. Uno o más circuitos de carga son conectados a cada accionador controlando otra carga. El circuito de carga es conectado al accionador por medio de un circuito de control 40 que comprende al menos las interfaces de control necesarias (ver figura 1) y por medio de las cuales cada cámara de trabajo puede ser conectada a un circuito de carga, y típicamente, dicha conexión también puede cerrarse. Preferiblemente, cualquier cámara de trabajo del accionador puede ser tanto cerrada como conectada a cualquier circuito de carga que pertenezca al sistema. Cada interfaz de control es implementada con, por ejemplo, una o más válvulas del tipo encendido/apagado (on/off) . Las válvulas son colocadas, por ejemplo, en un bloque de válvulas que comprende las líneas necesarias.
Cada circuito de control 40 junto con el controlador respectivo forma una unidad de control de aceleración digital (DACU) . El modo de operación más detallado y el algoritmo de control del controlador dependerán de la aplicación del accionador. En las figuras, los circuitos de carga a ser conectados a dicha unidad se indican con las referencias HPi, MPi y LPi, donde i es un entero. La flecha incluida en el símbolo del accionador representa la capacidad de ajuste en base al uso de diferentes niveles de presión y , _ _ áreas efectivas. En la figura 5 se ilustra un ejemplo de implementación del controlador.
Como se ilustra en la figura 11, el sistema comprende al menos una unidad de carta 110, que genera la potencia hidráulica necesaria para los circuitos de carga 3, 4 conectados a la misma. Una o más unidades de carga pueden conectarse a cada circuito de carga, o alternativamente, no se conecta una unidad de carga a la unidad de carga si es una unidad de carga (por ejemplo las unidades de carga 116 y 117 indicadas con HPia, HPia y LPia, donde i es un entero) que es abastecida con potencia hidráulica indirectamente por medio de otro circuito de carga o de otro modo (por ejemplo, el convertidor de presión 112 de la figura 11 o el convertidor de presión de bomba 122 de la figura 12) . La unidad de carga 110 comprende una o más unidades de bomba 111 con, por ejemplo, una unidad de bomba hidráulica 112 que comprende una bomba hidráulica convencional y su accionamiento.
Cuando la unidad de bomba comprende varias bombas hidráulicas acopladas en paralelo o al menos una bomba que contiene estas capacidades desiguales, pudiendo estas capacidades ser controladas independiente una de otra, la potencia hidráulica puede ser transferida entre circuitos de carga de varios niveles de presión diferentes simultáneamente. .
La unidad de carga 110 también comprende un sistema valvular de control y seguridad 124, por medio del cual cada línea de la unidad de bomba, en este ejemplo las líneas 119 y 118 de la unidad de bomba, pueden conectarse a cualquier circuito de carga de manera independiente entre sí, o a una línea de tanque y un tanque T, si este se incluye en el sistema. Por medio del sistema valvular de control y seguridad 124, se cuida que el nivel de presión no se eleve demasiado alto en los circuitos de carga o en las líneas de las unidades de bomba.
Si el sistema comprende circuitos de carga que no están conectados a la misma unidad de carga, la energía puede ser transferida entre dichos circuitos de carga por medio de, por ejemplo, un convertidor de presión. Como ejemplo, se mencionan los circuitos de carga HPi y HPia de la figura 11, en los cuales la transferencia de energía es posible desde dos o más circuitos de carga por medio de un convertidor de presión a dos o más circuitos de carga simultáneamente.
Una o más unidades de carga de energía pueden ser conectadas a cada circuito de carga. La unidad de carga de energía es, por ejemplo, un acumulador de presión convencional 17 y 18, o un accionador a cilindro digital 23 que carga energía por ejemplo sobre la carga L o sobre un resorte 113, en __ ... la forma de energía potencial . La energía puede ser cargada como energía potencial también en un gas comprimible o en cualquier otra forma de energía. La presión de los circuitos de carga es mantenida en un nivel deseado por medio de las unidades de carga de energía y las unidades de carga.
Ambos accionadores hidráulicos digitales basados en el método de control sin estrangulamiento, y los accionadores convencionales controlados por las válvulas de control de estrangulamiento pueden ser acoplados a cada circuito de carga, como se ilustra en las figuras 13c y 13d.
Además, uno o más sub-circuitos pueden ser conectados a cada circuito de carga usando accionadores hidráulicos digitales que son aplicados como convertidores de presión o convertidores de presión de bomba. Un sub-circuito es un circuito de carga cuya operación no interrumpida depende de la energía introducida desde otro circuito de carga. En otros respectos, a los sub-circuitos se aplican los mismos principios que a los otros circuitos de carga.
Unidad de carga A continuación se discutirá la operación de la unidad de carga 110. Una unidad de bomba hidráulica 120 comprende una o más bombas hidráulicas o motores de bomba que pueden ser del tipo convencional o motores de bomba, que comprenden una línea de succión y una línea de presión, o bombas o motores de bomba hidráulicos digitales, que comprenden varias líneas que pueden ser utilizadas como líneas de succión y líneas de presión, con dependencia del control. En este ejemplo, la línea 119 es la línea de succión de una bomba hidráulica convencional, que recibe un caudal, y la línea 118 es, a su vez, una línea de presión que entrega un caudal. Es la función del sistema valvular de control y seguridad 124 conectar la línea 119 a un circuito de carga tal desde el cual el medio presurizado va a ser entregado, y conectar la línea 118 a tal circuito de carga, al cual van a suministrarse medio presurizado y potencia hidráulica.
El algoritmo de bombeo de la unidad de carga 110, bajo su unidad de control, opera típicamente según el principio de que la línea 118 está siempre conectada a este circuito de carga, en el cual el desplazamiento de presión relativo desde el valor mínimo de la ventana de presión objetivo, o presión objetivo, es el más grande. De manera correspondiente, la línea 119 está siempre conectada a un circuito de carga en el cual el exceso de flujo de presión relativa del valor máximo de la ventana de presión objetivo, o presión objetivo, es el más alto. Si la presión de cualquiera de los circuitos de carga no -excede el valor máximo o presión objetivo de la ventana de presión objetivo correspondiente, la línea 119 es conectada a la línea de tanque (tanque T) , y de manera correspondiente, la línea 118 es conectada a un circuito de carga en el cual el corrimiento de la presión relativa del valor mínimo de la ventana de presión objetivo, o la presión objetivo, es el mayor. Si las presiones de todos los circuitos de carga exceden el valor máximo o presión objetivo de la ventana de presión objetivo correspondiente, la línea 118 es conectada a la línea de tanque (tanque T) , y de manera correspondiente, la línea 119 es conectada a un circuito de carga en el cual el flujo en exceso relativo desde el valor máximo de la ventana de presión objetivo es el más alto. En este caso, la energía es transferida desde el circuito de carga por medio de la unidad de bomba 111 a, por ejemplo, energía cinética, o ser utilizada, por ejemplo, para la producción de energía eléctrica por medio de un generador y baterías recargables .
Para impedir vibraciones de la unidad de bomba 111, los acoplamientos son cambiados en intervalos suficientemente prolongados, por ejemplo, en períodos de acoplamiento de al menos 1 segundo. Si la presión de solamente un circuito de carga difiere de su presión objetivo o del visor de presión objetivo, la línea 118 puede mantenerse conectada en la medida de que se halla logrado la presión objetivo. Si las presiones de todos los circuitos de carga permanecen debajo de los valores mínimos de los visores de presión objetivo correspondientes, las presiones son corregidas de manera alternativa por medio de dicho algoritmo y manteniendo las relaciones entre las presiones iguales a las relaciones entre las presiones objetivo correspondiente. De este modo, el desempeño de los accionadores permanece correcto, aún si los circuitos de carga estuvieran aún en la etapa de carga y las presiones de carga no se hubieran logrado todavía. Si las presiones se desvían en direcciones diferentes de las presiones objetivo correspondientes, se retira medio presurizado del circuito de carga, en el cual el flujo en exceso relativo de la presión objetivo del nivel de presión es el más alto, y se suministra medio presurizado al circuito de carga, en el cual el déficit relativo del nivel de carga con respecto a la presión objetivo es el más alto.
En situaciones en las cuales cualquier accionador requiere inmediatamente una gran cantidad de potencia para mover la carga, puede priorizarse la carga de un circuito de carga dado por un momento o permanentemente durante la carga de los otros circuitos, o puede acoplarse un circuito de carga dado para ser usado por dicho accionador. La unidad de control está configurada para implementar dichas operaciones en la unidad de carga 110, controlando sus componentes por medio de señales de control apropiadas y en base a mediciones que incluyen particularmente las mediciones de presión de los diferentes circuitos de presión. Los circuitos de carga y las lineas de la unidad de carga están equipados preferiblemente con sensores de presión conectados a la unidad de control.
Controlador del accionador hidráulico digital Se discutirá a continuación el controlador usado para controlar el sistema, el cual calcula, por medio de un valor guía, 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 válvulas de control.
Hay varias alternativas posibles de controlar, de las cuales se presentará aquí algunas que resultan apropiadas . Es una característica común para los diferentes controladores que el controlador calcula los estados óptimos para las interfaces de control, o sea, las posiciones de las válvulas de control (abiertas o cerradas) . El cálculo del control tiene lugar en base a valores guía dados y las variables medidas. Las salidas digitales del controlador se usan para establecer o ajustar las posiciones de las válvulas de control .
El número de combinaciones totaliza 2n, donde n es el número de salidas, cuando los estados de control de interfaces también están descritos por las alternativas binarias 0 y 1. De estas combinaciones, se usan solamente algunas, porque no se admite una situación en la cual ambos circuitos, HP y LP, sean acoplados a la misma cámara de trabajo al mismo tiempo. La situación descrita significaría, por ejemplo, que tanto la interfaz de control 11 (HP-B) como la interfaz de control 12 (B-LP) estuvieran abiertas, lo cual llevaría a un flujo de cortocircuito del circuito HP al circuito LP y la desviación de la presión de la cámara de trabajo 20 de la presión de ambos circuitos LP y HP . Un cortocircuito también provocaría pérdidas de energía, que deben ser evitadas. El presente método de ajuste difiere sustancialmente del ajuste proporcional, en el cual el estado cinético del sistema es controlado por una sola válvula de control de manera no escalonada.
La operación del controlador 24 se ilustra en la figura en el nivel de un diagrama esquemático, que también es apropiado para simular el sistema. En base a los principios presentados en el diagrama esquemático, un experto en la técnica es capaz de diseñar e implementar el dispositivo controlador requerido (algoritmo de control / software de ... -control) que está conectado al sistema que controla la carga. Típicamente es un procesador apropiado para el procesamiento de señales y controlado por software, implementando ciertos algoritmos de computación. El controlador comprende las entradas y salidas necesarias para recibir las señales generadoras . El controlador forma parte de la unidad de control de aceleración digital (DACU) .
Cuando se discuten coeficientes de control en este documento, se hace referencia a un medio 25 ilustrado en la figura 4 y conocido como tal, que gradúa la variable de entrada Inl de tal modo que la variable de salida Outl se convierte en la suma de los términos P (amplificación) , I (integración) y D (derivación) graduados en escala con algunos coeficientes de control. La entrada es típicamente el resto calculado a partir del valor establecido o guía en base al valor medido. Los valores numéricos más precisos para la eficiencia se hallarán empíricamente o por medio de cálculos en conexión con la sintonización del controlador.
La figura 5 ilustra un controlador 24 para el accionador de cuatro cámaras ilustrado en la figura 1. Un controlador correspondiente también puede ser aplicado en otros accionadores o unidades accionadoras que tengan una codificación correspondiente de las áreas de cámara de trabajo. . .
Los principios del controlador 24 también pueden expandirse a otros accionadores que no sean accionadores de cuatro cámaras o accionadores codificados binarios.
Un sistema controlado por fuerza puede hacerse controlado por aceleración por acoplamiento de realimentación de datos de aceleración así como datos sobre la fuerza generada por el accionador, al controlador. En base a esto, es posible calcular un término de compensación que produzca aceleración cero para el control, donde la aceleración deseada puede ser generada al accionador, independientemente de la fuerza de carga .
Un sistema controlado por aceleración puede hacerse controlado por velocidad dando al controlador un valor guía de velocidad y comparándolo con los datos de velocidad medidos del accionador (realimentación de carga) . De este modo, la fuerza generada por el accionador es compara en proporción con la variable de diferencia de velocidad, o sea, la diferencia entre el valor guía de velocidad y el valor real, o los datos de velocidad. La variable de diferencia es graduada en escala por un elemento ilustrado en la figura 4.
Un sistema controlado por velocidad puede convertirse en uno controlado por posición dando al controlador _ un valor guía de posición y comparando este con los datos de posición medidos del accionador. De este modo, el valor guía de velocidad del accionador, a ser ingresado en el sistema de control de velocidad, se ajusta en proporción con la variable de diferencia de posición, o sea, la diferencia entre el valor guia y el valor real de la posición. Un sistema de control de posición implementado de este modo, basado en el control de la fuerza del accionador, es un ejemplo de un llamado sistema de control secundario.
El controlador 24 de la figura 5, que ajusta la posición del accionador, efectúa el control secundario y convierte el valor de control calculado en una combinación de estado de las interfaces de control. El control recibe, como sus entradas, el valor guía 26 para la posición del accionador y los datos de posición 27, y calcula diferencia, que es la variable de diferencia de la posición. La variable de diferencia de posición se gradúa en escala en un bloque de control de posición 61 (coeficientes de control de posición) para formar un valor guía de velocidad 28 por medio de un elemento 25 ilustrado en la figura 4. Los datos de velocidad 29 es restado del valor guía de velocidad 28, donde se obtiene la variable de diferencia de velocidad. La variable de diferencia de velocidad es graduada en escala en un bloque de control de velocidad 38 (coeficientes de control de velocidad) por un elemento 25 ilustrado en la figura 4 para formar un valor de control de fuerza 31 que es saturado, por ejemplo, en una gama de -1 a +1 e ingresado en un convertidor de control 32. El calor de control calculado de este modo puede ser graduado en escala aún más para formar valores de control de la interfaz de control. Si el término I en los coeficientes del bloque de control de velocidad 30 es cero, o sea, no se usa el control integrador, el valor de control 31 es proporcional a la aceleración deseada, donde el valor de control 31 también puede denominarse como valor de control de aceleración relativa. Cuando se usa el control integrador, el valor de control 31 se aproxima a una variable proporcional a la producción de fuerza deseada, donde ya no se agrega al control un término para compensar la fuerza de carga.
La función del convertidor de control 32 principalmente se usa para convertir el valor de control 31 en controles binarios de las interfaces de control. Si no se usa control integrador, el convertidor de control también necesitará, para cumplir su función, información acerca de la fuerza de carga que tiene efecto sobre el accionador y agregará al control un término proporcional a la carga, para satisfacer la aceleración deseada. Además, el convertidor de control 32 examina los datos obtenidos como datos del sensor en tiempo real en la variable de diferencia de posición 33, los datos de velocidad 29 y la variable de diferencia de velocidad 34, y concluye, en base a estos parámetros, por ejemplo, si el sistema debe ser trabado en posición cerrando todas las interfaces de control. Cuando, por ejemplo, el valor guía de posición dado 26 o la velocidad cero se han logrado con suficiente precisión, ya no es necesario continuar el control, porque se consume energía al cambiar los estados de las válvulas. El convertidor de control 32 también necesitará un valor guía 35 en el tipo de estado de traba a ser usado. Las alternativas pueden ser, por ejemplo, 1) no efectuar el trabado en ninguna situación, 2) trabar manualmente todo el tiempo (de una manera forzada, o sea "por fuerza"), 3) trabar durante el uso en vista de las necesidades del control de posición, 4) trabar durante el uso en vista de las necesidades del control de velocidad.
La f ncionalidad del convertidor de control 32 también puede dividirse hacia varios convertidores separados, por ejemplo de tal modo que cada convertidor controle las interfaces de control de un solo accionador. El valor de control 31 para la aceleración, o sea, el valor de control de fuerza relativo, puede ingresarse como entrada a todos los convertidores lo cual calcula las posiciones correspondientes a la aceleración deseada de acuerdo con la situación de carga. _ __ Alternativamente, la funcionalidad del convertidor de control puede dividirse en partes modulares sobre el nivel principal del controlador. De este modo es posible procesar los controles de varios accionadores en las mismas partes del convertidor de control de tal moco que las operaciones comunes sean llevadas a cabo por el control de valor vector, graduado en escala individualmente en base a algunas variables obtenidas del sistema aún antes del ingreso en las partes del convertidor de control. Además, alternativamente, es posible generar los controles de varios accionadores en el mismo convertidor de control desde un solo control discreto común del sistema utilizando varios vectores de control, o sea, tablas de conversión de control.
No es necesario un bloque de retardo 36 pero puede utilizarse para efectuar la optimización efectiva sobre la funcionalidad de las válvulas de la interfaz de control. Por ejemplo, la función del bloque de retardo 36 puede ser agregar un retardo a los cambios de los valores de control 37 de las válvulas sobre los bordes ascendentes de los controles digitales y, si es necesario, controlar la apertura de la interfaz de control cuando resulte útil en vista del consumo de energía. Los retardos necesarios se calculan en base a, por ejemplo, los datos de velocidad 28 del accionador.
A continuación se discutirá un controlador de un sistema controlado por velocidad.
Como se ilustra en la figura 6, un sistema controlado por velocidad requiere, para su operación, el valor guía de velocidad 28 del accionador y los datos de velocidad 29, que pueden obtenerse, por ejemplo, en la forma de datos medidos directamente de un sensor de velocidad, o como datos estimados de otras variables medidas, particularmente el cambio de posición con respecto al cambio de tiempo, o sea, diferenciándolo de los datos de posición. Se ha omitido un circuito de control de posición alrededor del sistema de control de velocidad. Con respecto a las otras partes, el sistema controlado por velocidad opera del mismo modo que el sistema controlado por posición de la figura 5.
Se discutirá a continuación un controlador de un sistema controlado por aceleración.
Un sistema controlado por aceleración también puede requerir los datos de velocidad 29 del accionador como datos de sensor de realimentación. No obstante, esto no se utiliza para el control sino, por ejemplo, para las necesidades de un sistema de traba en el convertidor de control 32, como se ilustra en la figura 5. Además, el sistema de traba necesitará __ __ datos sobre la variable de diferencia e velocidad o el estado del valor de control 31, o sea, cuánto el valor de control difiere de cero. Con respecto a las otras partes, el sistema operado por fuerza opera del mismo modo que el sistema controlado por posición de la figura 5.
También en sistemas controlados por velocidad y aceleración, la adición inteligente de los retardos de apertura de las interfaces de control es útil con el bloque de retardo 36 de la figura 5.
La operación del convertidor de control del controlador se ilustra como un diagrama esquemático en la figura 8, y se hace referencia simultáneamente a la tabla de estado 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 estadtos binarios 38 apropiados para las interfaces de control. El valor de control 31 es sometido a las graduaciones de escala, conversiones de nivel y operaciones de redondeo a número entero necesarios, porque están en cuestión los niveles de fuerza discretos. Si el control integrador (bloques 61 y 30) no ese aplicado en el controlador, también se agrega al valor de control 31 en el convertidor de control 32 una estimación 38 para el punto cero de aceleración o una variable proporcional a este.
El valor de control de fuerza relativo 31 del accionador debe graduarse en escala a la gama de índices para el control de la tabla de estado del accionador (Figura 2, u%) de tal modo que en todas las situaciones de carga, un valor de control cero (0) generará un valor de control del punto de aceleración cero a la entrada del bloque de saturación. Esto se implementa, en el ejemplo presente, multiplicando el valor de control de fuerza relativa con la magnitud de la gama de indexación para los controles, después de lo cual se agrega a la señal una estimación 38 para el punto cero de aceleración. El resultado es saturado en la gama de indexación de 0 a 15 y redondeado al número entero más cercano, donde se ha formado el valor u% de valor de control discreto.
Después de esto, se efectúa una conversión A/D (análogo a digital) de tal modo que un número decimal correspondiente al número binario formado por los estados binarios de las interfaces de control se recupera de la tabla (0...255) en el valor de control discreto u% correspondiente a este. El valor decimal recuperado de la tabla es convertido a un número binario, y los bits de dicho número binario son separados en sus propias salidas, de acuerdo con la tabla de estado. Así, se han formado controles binarios 39 (abierto, cerrado) para cada válvula. En una situación de traba, el control de cada interfaz de control se establece en un estado correspondiente al cierre.
Gestión y optimización del consumo de energía en un accionador A continuación se discutirán los cambios en los estados de las cámaras de trabajo en el sistema. Cuando la presión de una cámara de trabajo aumenta de la presión baja (LP) a la presión alta (HP) , el medio presurizado en la cámara de trabajo también es comprimido y las estructuras del sistema ceden en alguna medida, de modo que la energía debe ser suministrada desde el circuito HP a la cámara de trabajo, si no se lleva a cabo pre-compresión utilizando la propia energía cinética del sistema. Cuando la presión disminuye a la presión LP, dicha energía en el medio presurizado comprimido es desperdiciada, si no se desea o no se puede ligar la energía a la energía cinética a ser utilizada en el sistema por medio de la expansión del medio presurizado (pre-expansión) . Cuanto más grande es la cámara de trabajo en la cual tienen lugar los cambios de estado, mayor será el volumen de medio presurizado y mayor la cantidad de energía consumida o liberada en los cambios de estado. Naturalmente, el número de cambios de estado también afectará directamente el consumo de energía.
Al examinar la tabla de estado de la figura 2, puede verse que cuando se cambian los valores de control diferentes u%, tiene lugar un número diferente de cambios de estado específicos de la cámara de trabajo. Con los valores de control u% = 4 y u% = 5 , solamente cambia el estado de la cámara de trabajo más pequeña (cámara D) , mientras con los valores de control u%% = 7 y u% = 8 , cambian los estados de todas las cámaras de trabajo. Como resultado, un cambio de estado entre u% = 4 y u% = 5 consume muchas veces menos energía que un cambio de estado entre los valores de control u% = 7 y u% = 8.
En vista del consumo de energía, es desventajoso efectuar cambios de estado de la interfaz de control conectada al circuito LP y del control de interfaz conectado al circuito HP de la misma cámara de trabajo siempre al mismo tiempo, porque en este cado una de las interfaces de control comienza a cerrarse al mismo tiempo en que la otra interfaz de control comienza a abrirse. Así, por ejemplo, cuando los elementos de cierre de las válvulas de control se mueven simultáneamente, ambas interfaces de control están semiabiertas y de este modo pasa momentáneamente una considerable cantidad de caudal (llamado flujo de cortocircuito) , lo cual consume energía. En la presente descripción, este fenómeno es llamado un cambio de __ estado de explosión, debido a la pérdida de potencia de corta duración.
Las pérdidas de potencia pueden reducirse aumentando las velocidades operativas de las válvulas de' control y tomándolas en cuenta en el control del sistema.
Cuando la cámara de trabajo se contrae y la presión debe ser elevada de la presión LP a la presión HP, es ventajoso, en vista del consumo de energía, establecer un retardo de apertura para la interfaz de control conectada al circuito HP. Así, cuando la interfaz de control conectada al circuito LP se cierra, la cámara de trabajo se cierra por algún tiempo. Cuando la cámara de trabajo se contrae más, la presión en la cámara de trabajo aumenta (pre-compresión) , y la interfaz de control conectada al circuito HP puede ser abierta sin una pérdida de potencia innecesaria en el momento en que la presión en la cámara de trabajo se ha elevado al nivel de la presión HP. Puede obtenerse un beneficio correspondiente cuando la cámara de trabajo se expande y su presión debe cambiarse de presión HP a la presión LP. De este modo, se establece un retardo de apertura para la interfaz de control conectada al circuito LP; en otras palabras, el cambio de estado de la cámara de trabajo es efectuado cerrando la cámara de trabajo por un momento y esperando, cuando la cámara de trabajo se _ expande, que la presión en la cámara de trabajo disminuya al nivel de la presión LP (pre-expansión) . De este modo, la i'nterfaz de control conectada al circuito LP puede ser abierta sin pérdidas de energía. En otros cambios de estado, es difícil evitar una pérdida de potencia, y no se utiliza retardo de apertura en los mismos .
Los retardos de apertura son controlados en el controlador 24 de la figura 5 y, por ejemplo, en su bloque de retardo 36, como se indicó más arriba.
En un ejemplo, para minimizar las pérdidas de potencia en los cambios de estado de las cámaras de trabajo, es posible utilizar, en conexión con los cambios de estado, un nivel de presión que se establece, por ejemplo, entre las presiones de los circuitos HP y LP, aproximadamente en la mitad entre ellos. Como se ilustra en la figura 11, es un circuito de carga 121, en otras palabras, un circuito MP (presión media) . Preferiblemente, al menos una unidad cargadora de energía, por ejemplo, un acumulador de presión, es conectada al circuito MP.
En un sistema que tiene tres o más niveles de presión, es posible llevar a cabo un cambio de estado casi sin pérdidas entre dos niveles de presión de la cámara de trabajo utilizando el nivel de presión dejado entre ellos. Se discutirá el cambio de estado de una cámara de trabajo de un solo accionador hidráulico digital. Al comienzo del cambio de estado, la cámara de trabajo está bajo la presión LP . Al comienzo, el circuito MP es conectado a la cámara de trabajo, donde la presión comienza a aumentar en la cámara de trabajo. Cuando el nivel de presión está lo suficientemente cerca a la presión HP o logra su máximo de otro modo, el circuito HP es conectado a la cámara de trabajo, donde la oscilación momentánea de presión permanece pequeña y apenas tiene lugar un flujo en exceso de presión. En cualquier etapa, no hay necesidad de estrangular los flujos de medio presurizado, lo cual resulta en un cambio de estado casi sin pérdidas. La energía necesaria para el cambio de estado es lograda primero desde la cámara de trabajo o circuito de carga por medio de una inductancia parásita de la tubería a la energía cinética del circuito de carga y de allí en más en energía de presión de la cámara de trabajo.
El cambio de estado de la presión HP a la presión LP de la cámara de trabajo también se implementa de manera correspondiente. En primer lugar, el circuito MP es conectado a la cámara de trabajo, y cuando el déficit de presión está en lo más alto, la cámara de trabajo es conectada a la presión LP . La energía es obtenida y liberada en los cambios de estado como ya se mencionó.
Control y optimización de los niveles de presión de los circuitos de carga.
Se discutirá a continuación el efecto de las presiones HP y LP sobre la graduación y nivel de fuerza y en consecuencia la capacidad de ajuste de las fuerzas suma generadas por el accionador.
Si el nivel de presión LP es muy bajo, la fuerza de propulsión máxima (fuerza suma positiva) y la fuerza de tracción máxima (fuerza suma negativa) aumenta a medida que aumenta la presión HP. En consecuencia, la extensión de la gama de fuerza aumenta, donde también aumenta la diferencia entre los niveles de fuerza, dado que el número de niveles de fuerza permanece sin cambio. Es apropiado usar una relación muy alta entre las presiones HP y LP en aplicaciones en las cuales la magnitud y dirección de la fuerza suma requerida varía en gran medida. Después que la presión HP se ha establecido en un nivel dado y la presión LP ha aumentado, la fuerza suma positiva a ser lograda con el control discreto más alto se reduce y la fuerza suma negativa a ser lograda con el control discreto más bajo se desplaza en la dirección positiva, donde la gama de fuerza del accionador se torna más angosta. Cuando la presión LP se aumenta lo suficiente, la fuerza suma a obtenerse con el control discreto más bajo se desplaza de negativa a positiva y „. __ _ _. . en consecuencia se acerca más a la fuerza suma positiva a ser obtenida con el máximo control discreto. Cuando la gama de fuerza se torna más estrecha, la diferencia entre los niveles de fuerza también se torna más discreta, donde se reducen simultáneamente los cambios en la aceleración del accionador. Esto mejorará la capacidad de ajuste, si la aplicación es tal que la fuerza de carga no varía en una medida significativa; o sea que siempre permanece dentro de ciertos valores de tolerancia. De este modo, en ciertas aplicaciones, es apropiado que las presiones LP y HP se ajusten activamente, si es necesario, de modo que la gama de fuerza cubra la producción de fuerza requerida para mover la carga de manera óptima. El método descrito más arriba reduce el consumo de energía, porque las pérdidas de potencia de los cambios de estado momentáneos son más pequeñas, cuanto más cerca las presiones HP y LP están una de otra. Además, las diferencias en los niveles de fuerza son así más pequeñas, el ajuste es más preciso, la optimización es más fácil, y se mejora la eficiencia de la energía.
Si el sistema no tiene unidades de almacenamiento alternativas para el medio presurizado, la cantidad de medio presurizado contenido en los acumuladores de presión limita la presión máxima del circuito HP. Por otro lado, la presión mínima del circuito LP es determinada por la capacidad de rendimiento de las válvulas de control, que es proporcional a la diferencia de presión, junto con los requisitos de velocidad del accionador, donde las presiones HP y LP no pueden ajustarse de una manera independiente una de otra. El ajuste de las presiones HP y LP independientemente una de otra requerirá la inclusión de una unidad de almacenamiento alternativa para el medio presurizado del sistema. La unidad de almacenamiento puede ser, por ejemplo, un acumulador de presión o un tanque de medio presurizado.
Optimización del controlador Se discutirá a continuación la estimación del término para compensación de la fuerza de carga.
En el ajuste de la posición, la velocidad, así como la aceleración, para tomar en cuenta la fuerza de carga es posible usar, por ejemplo, un ajuste de integración, que es posible solamente en base a los datos de posición medida 27 y los datos de velocidad 29 que han sido medidos o integrados partiendo de los datos de posición. No obstante, es también posible, alternativamente, aplicar estimación del llamado punto cero de aceleración de tal modo que en base a los datos de aceleración obtenidos de un sensor de aceleración fijado a la parte móvil del sistema y datos obtenidos sobre la producción de fuerza del accionador, un término para compensar la fuerza de carga, o sea, un estimado de punto cero de aceleración 38, es agregado al valor de control 31. Los datos sobre la producción de fuerza del accionador pueden calcularse directamente partiendo del control discreto del accionador o sobre la base de las presiones medidas de las cámaras de trabajo, en base a datos obtenidos directamente de un sensor de fuerza.
Utilizando el sistema ilustrado en la figura 1, la estimación se basa en una ecuación de fuerza del estado de continuidad del sistema, en el cual la aceleración es cero, F - m¦ a , donde a = 0 , y ?F=Fcyl +F¡fíaJ =0l donde las fuerzas efectivas en la dirección que aumenta la longitud del accionador por medio del pistón del accionador son positivas, y las fuerzas efectivas en la dirección que disminuye la longitud del accionador son negativas. _ Como se supone ahora que la aceleración es cero, u% de control del accionador que ha sido redondeado a enteros, o sea, que tiene un valor discreto, debe ser tal que cuando una fuerza de carga estática o dinámica es efectiva, el valor absoluto de la aceleración está lo más cerca de cero posible en cada momento de tiempo. El control del accionador tiene un número limitado de estados discretos, donde la aceleración cero no se logra a menudo en cualquiera de dichos estados, sino que debe imaginarse un control teórico con un calor continuo entre los valores discretos, para poder calcular un valor preciso para el control requerido. Este control teórico con un valor continuo, que da aceleración cero, se llama punto cero de aceleración uaQ en este documento. Dicho control es sustituido por el control discreto del accionador en la ecuación: 36 " '"a?) Si los datos del sensor de tiempo real o los datos de estimación se obtienen en base a la fuerza de carga, la presión LP y la presión HP, dicho término ua0 puede resolverse partiendo de la ecuación de fuerza en tiempo real: El término ua0 representa un equivalente un equivalente tal del valor de control graduado u% que tiene un valor continuo, o sin redondear, que produce de la mejor manera la aceleración cero aproximada cuando se agrega al control graduado en escala a la gama de indexación de valor cero de los controles del accionador antes de la operación de redondeo. De este modo, el control discreto u% del accionador se desplaza exactamente con el desplazamiento requerido de modo que se obtiene el efecto de compensación requerido.
En las ecuaciones mencionadas, el término D1( es el diámetro de la cámara de trabajo 19 (la cámara A más grande) , pHP es la presión del circuito HP, pLP es la presión del circuito LP, y Fioad es la magnitud de la fuerza de carga reducida para el accionador. El término uao varía entre 0 y 15 en este ejemplo. El lado izquierdo de la ecuación de fuerza representa la fuerza FCyi producida por el accionador. Con dependencia de la etapa seleccionada del valor de control ua0 (ver figura 2) es también la fuerza producida por el sistema, que debe ser igual a la fuerza de carga en el punto cero de aceleración .
La fuerza total que tiene efecto sobre el sistema se calcula multiplicando la aceleración obtenida, por ejemplo, en la forma de datos del sensor, con la masa inercial reducida por el accionador. La fuerza Fcyi supuesta generada por el accionador puede calcularse directamente en base al control discreto del accionador, pero un resultado más confiable de la producción de fuerza en toda situación se obtiene calculando la fuerza en base a las presiones medidas y las áreas efectivas de las cámaras de trabajo, o directamente como un resultado de medición proveniente de un sensor de fuerza. La fuerza de carga Fioad se obtiene ahora como la diferencia entre dicha fuerza total y la fuerza generada por el accionador. El valor de la fuerza de carga obtenida como resultado del cálculo puede ser insertado ahora, junto con las presiones HP y LP, en la ecuación del punto cero de aceleración, donde la ecuación da el valor del punto cero de aceleración como resultado. Alternativamente, la fuerza de carga Fioad también puede insertarse en una tabla que corresponda a la curva de fuerza del accionador y que sea almacenada en el convertidor de control 32 del mismo modo que las tablas de estado de la figura 2 . Por medio de la fuerza de carga en la tabla también se halla el valor de control necesario para generar una fuerza opuesta a la fuerza de carga. El método basado en la tabulación es funcional particularmente cuando el dimensionamiento de las áreas efectivas se desvía, por ejemplo, de la serie binaria de tal modo que los niveles de fuerza son graduados de manera no uniforme .
El valor de control calculado o tabulado (estimación 38) se agrega al valor de control 31 del accionador, por ejemplo, en el convertidor de. control 32, después de lo cual el convertidor de control calcula los controles 39 de las interfaces de control. La compensación de la fuerza de carga tiene lugar, por ejemplo, en un bloque de control separado o en un bloque de compensación 48, como se ilustra en la figura 5. Las entradas del bloque de compensación 48 son las presiones de los circuitos HP y LP, las presiones de las cámaras de trabajo, así como la aceleración de la parte móvil del accionador. Además, si las fricciones y las fuerzas finales de los accionadores se incluyen en el módulo para estimar la fuerza producida por el accionador, también es necesario ingresar la posición y la velocidad del accionador. Las entradas del controlador se obtienen, por ejemplo, partiendo de sensores apropiados colocados en el sistema. La estimación para el punto cero de aceleración obtenida como la salida del bloque de compensación 48, es ingresada en el convertidor de control 32.
Control y optimización de fallas en la interfaz de control A continuación se discutirán un sistema y un método a ser aplicados en el presente sistema, particularmente su controlador. Debido a una válvula defectuosa, se altera la operación de la interfaz de control, lo cual debe tenerse en cuenta en la operación del controlador usado para controlar el sistema .
Los principios del método mencionado más arriba pueden aplicarse en un sistema que comprenda dos o más niveles de presión, en el caso de controlar un accionador que comprende una o más cámaras de trabajo por medio de un circuito de control en el cual una o más válvulas de la interfaz de control permanecen cerradas o abiertas permanentemente en una situación de falla. En la situación del ejemplo, se discutirá un accionador de cilindro de cuatro cámaras en un sistema de presión dual .
Cuando las válvulas permanecen cerradas permanentemente, hay que asegurarse de que la cámara de trabajo del accionador no permanezca en el estado cerrado excepto durante el trabado del accionador o durante la pre -compresión o pre-expansión de la cámara de trabajo. Además, en una situación de atascamiento, la velocidad máxima del accionador es limitada .. para impedir la cavitación de las cámaras de trabajo conectadas a los circuitos HP y LP o la presión excesiva de las cámaras de trabajo durante los movimientos del pistón. La posición cerrada de la cámara de trabajo significa que todas las interfaces de control relacionadas con dicha cámara de trabajo están cerradas .
Cuando las válvulas permanecen abiertas permanentemente, se debe asegurar que los controles del vector de control del controlador estén en el orden que las fuerzas suma generadas por medio de ellas estén en un orden de magnitud. Además, se debe asegurar que durante el trabajo, la fuerza de sujeción del accionador sea suficiente; en otras palabras, que el accionador no pueda "arrastrarse" contra sus límites de presión de cámara. Esto es posible dejando destrabada la cámara de trabajo, en la cual las válvulas de la interfaz de control se han atascado abiertas, sin trabar.
Ahora se discutirá el manejo de una falla cuando la interfaz de control o sus válvulas se dejan abiertas (en posición) o cerradas (fuera de posición) , excluyendo situaciones de traba, en las cuales la interfaz de control se ha dejado abierta debido a una falla de válvula.
Primero se considerará una sola cámara de trabajo de un accionador. La figura 1 ilustra un ejemplo de una sola cámara de trabajo 19 (cámara A) de un accionador hidráulico digital, y las interfaces de control 9 (HP-A) y 10 (LP-A) que lo controlan. Cuando la interfaz de control HP-A es controlada para estar completamente abierta y la interfaz de control LP-A es controlada para estar completamente cerrada, la presión de la línea HP 3 tiene efecto en la cámara 19. De manera correspondiente, cuando la interfaz de control HP-A es controlada para estar completamente es controlada para estar completamente cerrada y la interfaz de control LP-A es controlada para estar completamente abierta, la presión de la línea LP 4 tiene efecto en la cámara 19. Las presiones son cambiadas de la manera antedicha de un estado de operación normal, significativamente de manera independiente de la velocidad de cambio en el volumen de la cámara de trabajo 19, debido a que las capacidades de rendimiento máximas de las interfaces de control están dimensionadas para ser grandes con relación al volumen de la cámara de trabajo.
Si solamente se dispone de una válvula para cada interfaz de control y la válvula de cualquier interfaz de control se atasca en la posición cerrada, en consecuencia, toda la interfaz de control quedará atascada en la posición cerrada. De este modo, cuando, por ejemplo, la interfaz de control HP-A es atascada en la posición completamente cerrada, la interfaz de control LP-A debe mantenerse continuamente abierta durante el movimiento del accionador, para impedir un aumento excesivo en la presión, o cavitación, en la cámara de trabajo. Así, estos controles deben cortarse del vector de control del controlador, en el cual la cámara A es controlada a la presión de la línea HP; en otras palabras, aquellos controles en los cuales el estado de la cámara A es uno (1) . En la figura 2 se ilustra un ejemplo del vector de control, donde se hace referencia a una sola hilera o columna. El vector de control contiene información sobre las diferentes combinaciones de control de las válvulas disponibles, así como del orden de uso entre dichas combinaciones de control. El orden de uso se determina de tal modo que las fuerzas suma generadas por medio de las combinaciones de control estén en el orden de magnitud.
De manera correspondiente, cuando la interfaz LP-A se atasca en la posición completamente cerrada, la interfaz de control HP-A debe mantenerse abierta continuamente durante el movimiento del accionador. Así, esos controles deben cortarse del vector control del controlador, en el cual la cámara A es controlada a la presión de la línea LP; en otras palabras, aquellos controles en los cuales el estado de la cámara de trabajo A es cero (0) .
Si la interfaz de control LP-A se atasca en la posición completamente abierta, la presión de la línea LP puede ser generada en la cámara A controlando la interfaz de control HP-A para que se cierre. Alternativamente, la interfaz de control HP-A es controlada para estar abierta, donde fluirá un flujo de cortocircuito de medio presurizado a través de las interfaces de control HP-A y LP-A directamente de la línea HP a la línea LP. La presión de la cámara A se establecerá así aproximadamente a mitad de camino entre la presión de la línea HP y la presión de la línea LP, la cual también puede ser llamada presión intermedia. Así, la fuerza suma generada por cada combinación de control en los vectores de control es recalculada en base a las áreas efectivas y las presiones de las líneas HP y LP, y simultáneamente se supone que dicha presión intermedia es efectiva en la cámara A siempre cuando su estado es uno (1) . El vector de control es re-dispuesto de modo que las fuerzas suma generadas correspondientes estén en el orden de magnitud.
Alternativamente, si la interfaz de control HP-A es atascada en la posición completamente abierta, es posible generar, en la cámara A, o la presión de la línea HP controlando la interfaz de control LP-A para que esté cerrada, o dicha presión intermedia controlando la interfaz de control LP-A para que esté abierta, donde nuevamente tiene lugar un flujo de cortocircuito correspondiente. Redisponiendo el vector de control y recalculando las fuerzas suma generadas, se supone que dicha presión intermedia es efectiva en la cámara A siempre cuando su estado es cero (0) .
Si la interfaz de control conectada al circuito LP, o su válvula, está atascada en la posición cerrada, esto solamente afectará la capacidad de la cámara de trabajo conectada a dicha interfaz de control para lograr el nivel de presión del circuito LP durante el movimiento del accionador. De manera correspondiente, si la interfaz de control conectada al circuito HP, o su válvula, se atasca en su posición cerrada, esto solamente afectará la capacidad de la cámara de trabajo conectada a dicha interfaz de control para lograr el nivel de presión del circuito HP.
A continuación se dará un ejemplo en el cual una o más interfaces de control comprenden dos o más válvulas acopladas en paralelo, que juntas producen el caudal total deseado, con dependencia de la capacidad de rendimiento de cada válvula. En cada válvula, la pérdida de presión se mantiene lo más pequeña posible. Las válvulas son diferentes o, por ejemplo, válvulas idénticas de encendido/apagado (on/off) . Si cualquier válvula en cualquier interfaz de control se atasca en la posición cerrada de modo que aún hay válvulas funcionales en dicha interfaz de control, esta falla en el estado estático del accionador no tendrá efecto significativo sobre el componente de fuerza generado por dicha cámara de trabajo y en consecuencia tampoco sobre la fuerza suma generada por el accionador. El estado estático se refiere a un estado en el cual el accionador no se está moviendo y el control del accionador permanece constante con respecto al tiempo, pero el control del accionador puede aún ser alguno de los controles discretos del accionador.
En la situación mencionada, la presión de la linea HP o LP será generada en la cámara de trabajo de la manera indicada. No obstante, ahora, la interfaz de control, en la cual se ha atascado una válvula en la posición cerrada, es más angosta que las otras interfaces de control, y su capacidad de rendimiento se ve reducida en comparación con la situación antes de la falla; en otras palabras, el caudal con la misma diferencia de presión se ve reducido. Debido a esto, puede tener lugar inercia en los cambios de estado de dicha cámara de trabajo en comparación con el de las otras cámaras de trabajo, inercia que debe tenerse en cuenta. Debido a la falla, el nivel de presión también se establece más lentamente al valor deseado, y además, cuando la cámara de trabajo se expande, la presión de la cámara de trabajo permanece más baja que lo normal por debajo del nivel de presión objetivo, y cuando la _ _ _ cámara de trabajo se contrae, la presión de la cámara de trabajo aumenta más alta que normalmente por encima del nivel de presión objetivo. La desviación de presión de la presión objetivo dependerá de la velocidad de cambio en el volumen de la cámara de trabajo y de la proporción de la capacidad de rendimiento de la válvula defectuosa con relación a la capacidad de rendimiento de toda la interfaz de control. Debido a esto, la velocidad máxima del accionador debe limitarse de modo que las desviaciones en la presión de la cámara de trabajo que ocurren durante el movimiento no se tornarían tan altas como para que las fuerzas suma generadas por lo controles ya no estuvieran en el orden de magnitud.
Si la interfaz de control conectada al circuito LP se atasca en la posición abierta, esto 'no afectará la capacidad de la respectiva cámara de trabajo para lograr el nivel de presión del circuito LP . De manera correspondiente, si la interfaz de control conectada al circuito HP se atasca en la posición abierta, esto no afectará la capacidad de la cámara de trabajo para lograr el nivel de presión del circuito HP.
Si cualquier válvula de la interfaz de control se atasca en la posición abierta y la interfaz de control debe cerrarse, esto tendrá un claro efecto sobre el componente de fuerza generado por la cámara de trabajo y la fuerza suma generada por el accionador. Si la cámara de trabajo tiene la presión del circuito LP y, por ejemplo, una válvula de la interfaz de control HP-A se atasca en la posición abierta, tendrá lugar un flujo de cortocircuito entre las interfaces de control HP-A y LP-A de la línea HP a la línea LP . De este modo, la presión intermedia que queda en la cámara de trabajo es claramente más alta que la presión del circuito LP. De manera correspondiente, cuando la cámara de trabajo tiene la presión del circuito HP y, por ejemplo, una válvula de la interfaz de control LP-A está atascada en la posición cerrada, una presión intermedia que es claramente más baja que la presión HP permanecerá en la cámara de trabajo.
En el estado estático del accionador, la presión de la cámara de trabajo seguirá la ecuación 'kammio ~ = PHHPP ~ , donde AHp = suma de las áreas de rendimiento de las válvulas abiertas en la interfaz de control de la línea HP ALP = suma de las áreas de rendimiento de las válvulas abiertas en la interfaz de control de la línea LP La capacidad de rendimiento de una válvula es proporcional a su área de rendimiento. En el caso de un accionador de cuatro cámaras, se ha hallado en base a cálculos que la desviación de la presión intermedia de la presión objetivo (HP/LP) es relativamente pequeña, si menos de 1/3 de la suma de las áreas de rendimiento de las válvulas de la interfaz de control está atascado en cualquier posición, abierta o cerrada. Así, el orden de magnitud de las fuerzas suma generadas por el accionador no cambiarán en el estado estático, donde el orden de los controles en el vector de control del controlador no necesita ser cambiado, y en el caso de una falla, es posible usar el vector de control original.
Más arriba se ha supuesto que solamente una válvula a la vez falla, porque la falla simultánea de varias válvulas es muy improbable. Cuando varias válvulas fallan al mismo tiempo, se intenta trabar el accionador y, si es posible, controlar el mecanismo por su posición. Además, se ha supuesto que las posiciones realizadas de las válvulas pueden verificarse, por ejemplo, por medio de sensores y que es posible comparar si la posición realizada corresponde a la posición según un valor de control aportado por un controlador. La posición dependerá del estado de la válvula. Sobre la base de la comparación, es posible concluir cual es la válvula defectuosa y en cual posición se ha atascado. En base a esto, es posible llevar a cabo los cambios necesarios en el controlador para compensar la falla y usar el controlador para controlar las válvulas que aún están en orden de trabajo.
A continuación, se presentará la operación del algoritmo relacionado con una falla por medio de un ejemplo. Los mismos principios también se aplican en el caso de un accionador en el cual el número de cámaras es otro que cuatro y/o varios niveles de presión están disponibles para cada cámara de trabajo. En las interfaces de control, pueden aplicarse números variables de válvulas, y pueden variar las capacidades de rendimiento relativas de las válvulas.
En este ejemplo, el accionador de cilindro de cuatro cámaras presentado más arriba se usa en el presente sistema hidráulico digital de presión dual. Ambas interfaces de control de cada cámara de trabajo comprenden, por ejemplo, dos válvulas con diferentes capacidades de rendimiento. Dentro de la interfaz de control, puede aplicarse cualquier división relativa entre las capacidades de rendimiento o áreas de rendimiento de válvula, por ejemplo 1:1 o 20:1. En consecuencia, hay un total de 16 válvulas en las interfaces de control, y los estados y posiciones de las válvulas que controlan el accionador pueden darse sin ambigüedad con un número 16 o un número binario de 16 bits, por ejemplo en el orden de HP-A, LP-A, HP-B, LP-B, HP-C, LP-C, HP-D, LP-D donde el número binario es 00 00 00 00 00 00 00 00 00 o 11 11 11 11 11 11 11 11 y todos los números binarios entre estos.
Es razonable disponer la significación entre los bits del número binario de tal modo que la significación sea proporcional al tamaño de la cámara de trabajo correspondiente a cada interfaz de control; en otras palabras, los bits que denotan a las interfaces de control de la cámara de trabajo con el área efectiva más grande tienen la mayor significación. Los mismo se aplica a las válvulas de la misma interfaz de control, donde se toma en cuenta la capacidad de rendimiento. La significación entre los bits de las interfaces de control de las líneas HP y LP conectadas a la misma cámara de trabajo es una cuestión de acuerdo.
Si todas las válvulas siguen sus respectivos valores de control (abierto/cerrado, encendido/apagado, 1/0) dentro de los tiempos de respuesta establecidos, el valor actual después de un retardo del tiempo de respuesta puede hacerse corresponder al valor de control. En consecuencia, la diferencia entre los números binarios correspondientes al valor real y al valor de control es de este modo cero. ___ ___ Cuando cualquier valor real de la interfaz de control, o sea, el estado valvular, se desvía del valor de control de manera suficientemente clara, puede decirse que hay una situación de falla. La válvula defectuosa y el tipo de falla (atascamiento en la posición abierta o cerrada) puede determinarse a partir del valor de la diferencia entre los números binarios correspondientes al valor de control y el valor real, porque la significación del bit que controla la válvula determina la magnitud de dicha diferencia. En un sistema de 16 bits, el bit menos significativo, o sea, la válvula más pequeña de la interfaz de control LP-D da, en una situación de falla, una diferencia de +/- 1 ( +/- 2o) , con dependencia del tipo de falla. De manera correspondiente, el bit más significativo dará la diferencia +/- 32768 (+/- 2X5) , con dependencia del tipo de falla.
Cuando los bits del número binario representan la secuencia de interfaz de control HP-A, LP-A, HP-B, LP-B, HP-C, LP-C, HP-D, LP-D, y la diferencia entre el valor de control y el valor real es, por ejemplo +8192 (213) , puede hallarse que la válvula más grande de la interfaz de control LP-A está atascada en la posición abierta. Partiendo del índice de la diferencia, puede concluirse que el bit en cuestión es el décimo tercero, ya que la indexación comienza desde cero; en otras palabras, el bit décimo catorce del número binario, contando desde la derecha, y el bit más significativo de la interfaz de control LP-A. Partiendo del signo de la diferencia, puede concluirse que la válvula está atascada en la posición abierta, porque el número binario del valor real de las válvulas, del cual se resta el número binario del valor guía, es mayor que el número binario del valor guía.
Ahora, se conoce que la relación de las válvulas de la interfaz de control LP-A es, por ejemplo, 20:1 y la válvula más grande está atascada en la posición abierta. Más aún, es conocido que las capacidades de rendimiento de la interfaz de control HP-A son, en el estado normal, por ejemplo idénticas a las de la interfaz de control LP-A, de modo que la capacidad de rendimiento máxima de la interfaz de control HP-A puede ser representada por el índice 21 (20+1) . De este modo, la presión del circuito LP se genera siempre en la cámara de trabajo cuando el estado de la cámara de trabajo está en estado 0, pero cuando el estado de la cámara de trabajo se cambia al estado 1, la cámara de trabajo no logrará la presión del circuito HP y la presión intermedia permanecerá en la cámara de trabajo, porque hay una válvula atascada en la interfaz de control LP-A.
Dicha presión intermedia en el estado estático del accionador puede calcularse partiendo de la ecuación presentada más arriba, en la cual la relación AHP/ALP ahora corresponde a la relación 21/20. Utilizando la presión intermedia, es posible calcular todos los componentes de fuerza y las fuerzas suma a ser generados para todas las situaciones de falla en las cuales una válvula está atascada en la posición abierta .
La Tabla B ilustra los estados de las cámaras de trabajo de los accionadores y la magnitud de la fuerza suma (No_err) en el caso que no haya fallas en el sistema. A partir de la fuerza suma recalculada (LP-A abierta) , se puede ver que en el estado estático, las fuerzas sumas ya no están en un orden de magnitud, y por lo tanto, el vector de control que describe los controles (dec(0...15) debe redisponerse como se ilustra en la Tabla C, de modo que las fuerzas suma estén en el orden de magnitud, que pueda ser utilizado por el controlador.
TABLA B TABLA C El algoritmo presentado más arriba también puede aplicarse cuando varios circuitos de carga con diferentes niveles de presión pueden acoplarse a una sola cámara de trabajo. De esto modo, estos controles son cortados, donde los estados reales de las interfaces no lo son, debido a válvulas defectuosas, corresponden a los estados deseados, particularmente si la falla tiene un efecto significativo sobre la fuerza suma generada por el accionador con dicho control.
Aplicación del accionador hidráulico digital Ahora se discutirán los usos del accionador hidráulico digital en un sistema hidráulico digital. El accionador es particularmente un cilindro digital, y sus aplicaciones incluyen varias como bomba, motor, carga de energía, convertidor de presión, convertidor de energía, accionamiento pivotante y accionamiento rotatorio.
El ejemplo de la figura 1 comprende un cilindro digital cuya operación ya ha sido discutida más arriba. El ejemplo de la figura 9 del accionamiento pivotante comprende un dispositivo pivotante que convierte un movimiento lineal en un movimiento rotatorio, en el cual se aplica el presente sistema. En la construcción y los montajes del dispositivo pivotante, es posible usar elementos correspondientes de dispositivos pivotantes conocidos como tales. El ejemplo de la figura 10 sobre un accionamiento rotatorio comprende un motor de bomba hidráulico digital, en el cual se aplican varios accionadores de cilindro y que pueden aplicarse como motor hidráulico digital y como una bomba en un sistema hidráulico digital. El ejemplo de la figura 11 comprende un convertidor de presión hidráulico digital 112 (DPCU) , en el cual se aplican varios cilindros digitales y otros ejemplos se ilustran en las figura 15 y 16. El ejemplo de la figura 12 comprende un convertidor de presión de bomba hidráulico digital 122 (DPCPU) , en el cual varios cilindros son aplicados y que es conectado por medio de una parte móvil 123 a una fuente de energía externa, y otros ejemplos se ilustran en las figuras 14 y 17.
Dispositivo pivotante hidráulico digital En el ejemplo de la figura 9, un dispositivo pivotante 41 comprende, por ejemplo, cremalleras de engranaje 45 y 46 que hacen girar una rueda de engranaje pivotante 47. El dispositivo pivotante está montado, por ejemplo, sobre el bastidor de una máquina de trabajo móvil y la rueda de engranaje pivotante se usa para hacer girar la cabina o la grúa de una máquina de trabajo. Típicamente, el dispositivo pivotante comprende medios que convierten un movimiento lineal en un movimiento rotatorio. El movimiento lineal es implementado por medio de un cilindro, y el movimiento rotatorio por medio de un eje rotatorio.
El dispositivo pivotante controlado por momento es implementado típicamente con dos accionadores 42 y 43 que están acoplados en paralelo, cada accionador sobre su propia cremallera 45 o 46 de tal modo que los vástagos de pistón de los accionadores señalen en la misma dirección, donde cuando un accionador se prolonga, el otro se torna más corto. Las cremalleras de engranaje están montadas en paralelo por el lado de los accionadores para impulsar la rueda de engranaje pivotante 47 sobre dos lados. En este caso, los bastidores del accionador son móviles, y el vástago de pistón está montado de manera estacionaria sobre el dispositivo pivotante y en consecuencia, por ejemplo, sobre el bastidor de una máquina de trabajo. La fuerza total máxima de los accionadores efectuada por los mismos sobre la rueda de engranaje pivotante 47 es, en este caso, la suma de la fuerza total de tracción máxima de un accionador y la fuerza total de propulsión máxima del otro accionador. El movimiento total Mtot del dispositivo pivotante en cada dirección de rotación está así en su máximo y se forma como la suma de la fuerza total máxima de cada accionador y los productos calculados del radio R de la rueda de engranaje pivotante 47.
El dispositivo pivotante 41 es controlado por un circuito de control, en el cual se provee una interfaz de control para cada cámara de trabajo del accionador del dispositivo pivotante, por medio de la cual dicha cámara de trabajo puede conectarse a la baja presión LP o la alta presión HP. 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 número de estados del dispositivo pivotante depende de la estructura de los accionadores 45, 46. Se dispone de varias alternativas para proveer el control de los accionadores. En el caso de varios accionadores, el número de los estados del dispositivo pivotante 41 se forma como una función de potencia ab de modo que el número base es el número de estados de los controles del accionador, por ejemplo a = 2", en el cual n es el número de cámaras de trabajo, y el índice b es el número de accionadores. En el caso de dos accionadores con dos cámaras de trabajo cada uno, el número de estados es 16, y en el caso de dos accionadores con cuatro cámaras de trabajo cada uno, el número de estados es 256. Cada estado corresponde a un valor de momento Mtot . Cada accionador es controlado con un circuito de control de acuerdo con la figura 1. Si los accionadores 45, 46 son iguales o tienen cámaras de trabajo de áreas efectivas iguales, el número total de estados diferentes permanecerá más pequeño debido a estados redundantes, y se logrará el mismo momento total Mtot en dos o más estados. En el ejemplo de la figura 9, los accionadores son idénticos y cada uno comprende cuatro cámaras de trabajo del mismo modo que el accionador 23 de la figura 1, donde cada accionador puede utilizarse para producir 16 fuerzas diferentes usando una graduación igual. De este modo el número total de estados es 31, cuando los estados redundantes se omiten de los cálculos. El número de estados es más pequeño en un estado respecto al número total de estados de dos accionadores, porque el estado que produce el momento cero es común a ambos accionadores. El dispositivo pivotante tiene al menos un estado que produce un momento cero cuando las fuerzas totales de los _ accionadores se superan entre sí, así como un ajuste de momento de 15 etapas en una dirección de rotación y un ajuste de momento de 15 etapas en la dirección opuesta de rotación. Las áreas efectivas de las cámaras de trabajo de los accionadores están codificadas preferiblemente por coeficientes de ponderación binarios, para proveer un control de momento graduado uniformemente. Además, los cilindros son preferiblemente idénticos.
Los estados seleccionados para producir un momento cero pueden ser cualquier estado de los accionadores, por ejemplo los estados de fuerzas extremas positiva o negativa, o cualquier estado entre los mismos, por ejemplo de la gama media. Cuando los accionadores tienen dimensiones iguales, el dispositivo pivotante produce un momento cero cada vez que los controles de los accionadores son iguales entre sí. En otras palabras, la tensión inicial producida por el control cero puede producirse en cualquier estado del accionador (en el caso de accionadores con cuatro cámaras, por niveles de fuerza 0 a 15) . Así, las etapas de momento también pueden crearse de muchas maneras, por ejemplo de tal modo que un accionador trabaje en una gama saturada y el otro en su gama lineal cuando el ajuste de momento se efectúa en una dirección de rotación, y de una manera correspondiente inversamente cuando el ajuste de momento se efectúa en la otra primera dirección de rotación (ver alternativas 1 y 2 en la Tabla A) .
Tabla A Si los estados que producen un momento cero son seleccionados de la gama media de estados del accionador, las etapas de momento también pueden ser creadas cambiando los estados de los accionadores de manera alternativa, de modo que ambos accionadores puedan operar en su gama lineal dentro de la gama de momento completa (ver alternativa 3 en la Tabla A) . Operando en la gama lineal de los accionadores significa que el valor de control discreto no saturado del accionador no excede el valor máximo del valor de control discreto saturado (u%) dentro de la gama de indexación de los estados de los accionadores . El cambio de estado también puede efectuarse en vueltas de dos o tres etapas (ver alternativa 4 en la Tabla A) o utilizando cualquier otro algoritmo de permutación, aportándose ejemplos en la Tabla A.
Para el control del dispositivo pivotante, es posible usar el controlador 24 ilustrado en las figuras 5, 6 o 7, cuyo convertidor de control 32 se expande de tal modo que puede usarse para controlar un número suficiente de interfaces de control que determine los estados de los accionadores . La tabla ilustrada en la figura 2 se expande de tal modo que el número de índices corresponde a varios valores de control, y los valores de columnas se agregan para representar diferentes estados del sistema, y el número binario que indica los estados binarios de las cámaras aumenta (en otras palabras, el número de números binarios que indican los controles binarios de los accionadores aumenta de acuerdo con el número de los accionadores) , y las columnas que representan los estados binarios de las interfaces de control aumentan debido a un aumento en las interfaces de control. Además, es posible utilizar un valor establecido 31 que sea proporcional al momento a ser generado y a la dirección de rotación del dispositivo pivotante. Como el momento a ser generado es directamente proporcional a la fuerza suma generada por los accionadores (siendo el coeficiente el radio R de la rueda de engranaje pivotante 47) , aún es posible usar, para el control, el valor de control 31 de la fuerza efectiva, descrito con relación a la figura 5, que será procesado y presentado según la figura 8. El sistema controlado por aceleración puede hacerse controlado por velocidad como se describió más arriba.
El controlador del dispositivo pivotante también puede implementarse por medio de dos controladores paralelos ilustrados en la figura 5, 6 o 7, donde cada controlador controla un solo accionador 42 o 43. Esto es posible dado que los efectos de fuerza generados por los accionadores 45 y 56 también son separados. El valor de control relativo 31 para la fuerza efectiva (aceleración) , el valor de control 28 para la velocidad, o el valor de control 26 para la posición pueden ingresarse como entradas en ambos convertidores que computarán las posiciones correspondientes a la aceleración deseada para las válvulas de control de cada accionador de acuerdo con la situación de carga.
Como se describe más arriba, se consume energía en conexión con los cambios de estado. Es característico del control de los accionadores que esté entre el valor de control correspondiente al punto cero de aceleración y los valores de control más cercanos a este sobre cada lado donde tienen lugar la mayor parte de los cambios de estado. Como la tensión inicial de los accionadores de cilindro puede seleccionarse libremente en este sistema del dispositivo pivotante, este valor de control para el momento cero puede seleccionarse de la tabla de estado del sistema, desde cuyo valor de control los cambios de estado más cercanos en ambas direcciones consumen la menor cantidad de energía posible. Estos controles incluyen, por ejemplo en el caso de un accionador con cuatro cámaras, los valores de control 10 y 5. En el sistema del dispositivo pivotante, también es posible aplicar la pre-compresión y pre-expansión mencionadas más arriba, particularmente por medio de retardos controlados por el controlador.
Motor de bomba hidráulico digital y dispositivo rotatorio Se discutirá a continuación un motor de bomba hidráulica digital que puede ser aplicado como una bomba hidráulica digital y como un motor en un sistema hidráulico digital. El sistema descrito más arriba también puede ser aplicado en el motor de bomba.
En el ejemplo de la figura 10, un motor de bomba hidráulica digital 49 comprende, por ejemplo, cuatro _ accionadores 50, 51, 52 y 53, que son cilindros y hacen girar un elemento oscilante 54 que tiene un eje geométrico de rotación X y al cual están conectados los accionadores a una distancia del eje geométrico de rotación donde los accionadores combinados son capaces de generar un momento total Mt0t efectivo sobre el elemento oscilante 54 (u oscilador 54) e impulsan la carga. Preferiblemente, todos los accionadores tienen un punto de conexión común 55. El dispositivo 49 es montado, por ejemplo en el uso del motor pivotante, sobre el bastidor de una máquina de trabajo móvil, y se usa para hacer girar la cabina o grúa de una máquina de trabajo. De manera correspondiente, en el uso de la bomba, el elemento de giro es conectado, por ejemplo, al eje impulsor. Típicamente, el dispositivo es aplicado en una bomba, motor o accionamientos de rotación de motor de bomba, en los cuales el elemento oscilante (54) convierte un movimiento lineal en un movimiento rotatorio.
La impulsión o accionamiento del motor de bomba con una trayectoria continuamente rotatoria se obtiene, de la manera más simple, acoplando dos accionadores controlados por fuerza al elemento oscilante 54 de manera excéntrica usando un desplazamiento de fase de 90°. Particularmente, el accionador descrito más arriba e ilustrado en la figura 1 se usa como accionador. No obstante, como el accionador es asimétrico con respecto a sus fuerzas máxima, o sea, la fuerza máxima es más fuerte en la dirección positiva (de propulsión) que en la dirección negativa (de tracción) , el momento total máximo Mtot se tornaría relativamente asimétrico, o sea, el momento máximo logrado en una dirección de rotación sería diferente de aquel en la otra dirección de rotación. Por esta razón, es justificable para conectar al menos tres accionadores de cilindro de manera excéntrica con un desplazamiento de fase de 120° respecto al elemento oscilante 54, hacer el momento total máximo más simétrico. Además, un máximo más simétrico del momento en ambas direcciones se produce acoplando cuatro cilindros con un desplazamiento de fase de 90° con el elemento oscilante 54, como se ilustra en la figura 10.
En el motor de bomba digital 49 y el sistema que lo controla, incluyendo el controlador, la optimización del ahorro de energía de las tensiones iniciales puede ser implementada aplicando los mismos principios que en dispositivo pivotante discutido más arriba con referencia a la figura 9.
Los puntos de conexión de los accionadores se refieren a los puntos de conexión articulados 56, 57, 58 y 59 (Jl, J2, J3 y J4 , respectivamente), por medio de los cuales los accionadores son conectados al bastidor 60 del dispositivo. Como se ilustra en la figura, cada accionador es conectado 30 entre un punto P efectivo articulado excéntrico común (punto de conexión 55) y los puntos de conexión articulados mencionados colocados regularmente con respecto al círculo pivotante. Las distancias entre los puntos de conexión y el centro de rotación 0 (eje geométrico de rotación X) son iguales entre sí, así como los ángulos de desplazamiento de fase observados a través del círculo de movimiento pivotante. En el caso del ejemplo, se usan cuatro accionadores de cilindro con ángulos de desplazamiento de fase de 90°.
El vector radio del oscilador se refiere a un vector R trazado desde el centro de rotación O del oscilador hasta el punto P de conexión excéntrico común de los accionadores. Los vectores de palanca efectivos r\ > r2 > r3 Y r4 (vector y„ ) de los accionadores se refieren al vector más corto trazado desde el centro de rotación 5 del oscilador hasta la línea recta de la fuerza efectiva del accionador, estando así este vector en ángulo recto con la línea recta de la fuerza efectiva generada por el accionador. En la figura 10, los accionadores 50 y 52 están en sus extremos de carrera inferior y superior, de modo que sus vectores de palanca efectivos son vectores cero.
La longitud del vector de palanca efectivo del accionador se supone positivo cuando la fuerza de propulsión o positiva generada por el accionador genera un momento positivo (en sentido contrario al de las agujas del reloj) al oscilador. De este modo, el punto P de conexión está en la mitad derecha del círculo de rotación visto desde el punto de conexión del accionador. De manera correspondiente, la longitud del vector de palanca se supone negativa, cuando la fuerza positiva (de propulsión) generada por el accionador correspondiente a la misma genera un momento negativo al oscilador (en el sentido de las agujas del reloj) . Así, el punto P de conexión está en la mitad izquierda del círculo de rotación, visto desde el punto de conexión del accionador. En este documento, la palanca efectiva del accionador se refiere a la longitud del vector de palanca efectivo. Los accionadores 50, 51, 52 y 53 generan los vectores de fuerza simples Fi, F2/ F3 , y F4 , respectivamente. La dirección de los vectores de fuerza es paralela a un segmento de línea trazado desde el punto de conexión de cada accionador al punto efectivo P del oscilador, no obstante, de tal modo que la dirección de la fuerza efectiva puede ser de propulsión o tracción, o sea, positiva o negativa. El vector resultante de fuerza Ftot se refiere al vector suma de los vectores de fuerza generados por los accionadores simples.
La palanca efectiva relativa del accionador se refiere a la relación entre la longitud del vector de palanca efectivo y el valor máximo de la longitud del vector de palanca efectivo. De este modo, para la palanca efectiva relativa de cada accionador, se aplica lo siguiente: n 1 max_ El valor numérico de la variable se torna cero cada vez en que el accionador está en sus centros muertos y recibe el valor +1 o -1 cuando la palanca está en su máxima longitud en la dirección positiva o negativa. Las longitudes máximas de la palanca tienen lugar en puntos donde la línea recta de acción de la fuerza del accionador toca la tangente del círculo de rotación del punto P efectivo del oscilador.
A continuación se discutirá el sistema de control del motor de bomba digital y su principio de operación.
El control relativo de cada accionador simple del dispositivo es generado multiplicando el control relativo del momento del accionamiento pivotante por la longitud de la palanca efectiva relativa de dicho accionador. En el caso del ejemplo, la meta es producir un momento positivo; en otras palabras, la dirección del momento es en el sentido contrario al de las agujas del reloj . Cuando los dos accionadores 50 y 52 ubicados opuestos entre sí están en sus centros muertos, los otros dos accionadores 51 y 53 son colocados simétricamente como imágenes en espejo entre sí con respecto al vector radio R del oscilador. Así, las palancas efectivas r , yJ"3 de los accionadores 50 y 52 también son reflectadas con respecto al vector radio R; o sea, tienen igual longitud pero tienen signos opuestos, donde los vectores de fuerza Fx y F3 son graduado de igual longitud uno con respecto a otro son ubicados simétricamente con respecto a un segmento de línea vertical trazado a través del punto P. Así, el vector de fuerza resultante Ftot se torna vertical, o sea, se coloca en un ángulo recto con el vector radio R del oscilador. En los centros muertos de los accionadores 51 y 53, los vectores de fuerza de dichos accionadores son vectores cero, porque sus palancas efectivas f"2 < Y r4 son vectores cero, de acuerdo a los cuales se gradúan en escala los vectores de fuerza.
A mitad de camino entre los centros muertos, los accionadores 50 y 53 son ubicados simétricamente entre sí con respecto al vector radio R, así como los accionadores 51 y 52.
De este modo, las palancas efectivas fj , y r3 también son reflectadas con respecto al vector de radio R, así como los vectores de palanca ri y r4. De este modo, el vector suma de las fuerzas F2 y F3 es colocado en paralelo con la tangente del ciclo de rotación del punto efectivo P del oscilador 35, así _ __ . como el vector suma de las fuerzas Fj. y F4. Así, el vector total resultante también es paralelo a la tangente del círculo de rotación del punto P, o sea, en ángulo recto con el vector radio del oscilador.
Se halla que el vector resultante de fuerza Ftot está en un ángulo recto con el vector radio R del oscilador con otros valores de rotación también. Partiendo de esto, se puede concluir que en este método de graduación en escala, el vector de fuerza resultante Ftot siempre está en un ángulo casi recto con el vector de radio R, en la medida que los accionadores operen en sus gamas lineales.
El motor de bomba hidráulica digital puede usarse en un sistema hidráulico digital tal como, sin limitaciones, en un sistema hidráulico convencional, como un accionamiento por motor controlado por momento o fuerza el cual también retorna la energía cinética ligada al mecanismo nuevamente al sistema hidráulico, si es necesario.
El motor de bomba hidráulica digital también puede usarse como una bomba hidráulica controlada por pQ (p= presión, Q = caudal) , si es necesario. De este modo, el momento generado por los cilindros se establece en la dirección opuesta respecto al momento dirigido sobre el mecanismo desde el exterior. La utilización de las áreas efectivas de los cilindros hace posible controlar la presión, el caudal,, el momento impulsor y el control de energía de salida. Durante el uso de la bomba, el caudal y la presión máxima generados por el dispositivo son proporcionales a la superficie efectiva y en consecuencia también el momento impulsor. De este modo, es posible optimizar, por ejemplo, la gama operativa del motor de combustión que impulsa la bomba, para lograr la mejor eficiencia posible.
Si el motor de bomba es usado como bomba hidráulica en el sistema hidráulico digital, esto puede requerir que el motor de bomba también esté conectado a un tanque por medio de interfaces de control separadas . Las figuras 13a y 13b ilustran la conexión de un motor de bomba digital de un sistema de la figura 11, por ejemplo. La conexión se efectúa a los circuitos o sub-circuitos de carga.
La optimización de ahorro de energía de las tensiones iniciales puede implementarse del mismo modo que el dispositivo pivotante descrito más arriba. Al controlar el motor de bomba digital, la combinación de controles de los accionadores para producir un momento cero puede seleccionarse entre cualesquiera valores de control con los cuales la suma de momentos calculada para cada accionador sea cero. De este modo, puede seleccionarse de manera deseada una gama tal de control de cada accionador, en la cual el accionador desempeñe el número mayor de cambios de estado. El control de los cuatro accionadores en el motor de bomba digital puede implementarse, entre otras cosas, convirtiendo el control relativo del momento directamente al control de los accionadores, pero de tal modo que el signo de control sea cambiado en los extremos superior e inferior de la carrera del accionador. De este modo, debe cuidarse que el control relativo positivo del momento genere producción de fuerza a un solo accionador, produciendo un momento positivo en el mecanismo. Los cuatro accionadores pueden controlarse de tal modo que el control relativo del momento se gradúe con el control del accionador, en proporción a la palanca relativa efectiva del accionador. Además, la variable usada para gradual en escala el control de un solo accionador también puede ser otra variable calculada en base a la rotación, por medio de cuya variable la meta es mantener el vector suma de las fuerzas producidas por los cilindros en ángulo recto con el vector radio del oscilador.
Convertidor de presión y convertidor de presión de bomba hidráulica digital La figura 11 ilustra un convertidor de presión hidráulico digital 112. En la figura 15 se ilustra una implementación simple del convertidor de presión, donde el convertidor de presión comprende dos accionadores de cilindro de doble acción y doble cámara conectados opuestamente entre sí, donde los vástagos de pistón están interconectados . Los vástagos de pistón combinados forman la parte móvil. Preferiblemente, las camisas externas de los accionadores de cilindro también están interconectadas . Las relaciones de las áreas efectivas de las cámaras de trabajo son seleccionadas como sigue: A1:B1:A2:B2 0 2:1:2:1. El convertidor de presión de la figura 16 comprende dos accionadores de cilindro de doble acción y cuatro cámaras, en los cuales las relaciones de las áreas efectivas de las cámaras de trabajo son seleccionadas de la manera siguiente: Al:Bl:Cl:dl 0 A2:B2:C2:D2 0 8:4:2:1. De acuerdo con el ejemplo de la figura 14, los accionadores de cilindro también pueden ser diferentes, donde las relaciones de las áreas efectivas de las cámaras de trabajo también pueden seleccionarse como sigue: A1:B1:A2:B2 = 8:4:2:1. Cada accionador de cilindro del convertidor de presión puede consistir de una unidad de una sola cámara o de cámaras múltiples, cuyas partes móviles están interconectadas mecánicamente ya sea en paralelo o de manera agrupada de modo que se obtengan las áreas efectivas deseadas y sus relaciones mutuas. Preferiblemente, las etapas de fuerza generadas son de igual tamaño.
El convertidor de presión opera de tal modo que el primer accionador se utiliza para seleccionar una fuerza suma deseada a ser generada dentro de la gama de las presiones de los circuitos de carga acoplados al accionador, por medio de cuya suma es posible llevar a cabo la transferencia de energía necesaria entre los circuitos de carga acoplados al segundo accionador, y con bajas pérdidas de energía. El primer accionador ejerce dicha fuerza suma a la parte móvil de dicho accionador, y el segundo accionador genera una fuerza en la dirección opuesta pero con una magnitud levemente diferente a la parte móvil de dicho accionador, lo cual permite el movimiento del pistón. Cuando la parte móvil del accionador se acerca al extremo del accionador, los acoplamientos de los circuitos de carga son intercambiados entre sí de modo que se cambia la dirección de movimiento pero se mantienen las relaciones de conversión entre los circuitos de carga. En el ejemplo de la figura 16, el circuito de carga HP1 es acoplado en lugar del circuito de carga HPla, y el circuito de carga LP1 es acoplado en lugar del circuito de carga LPla. El intercambio es llevado a cabo por medio de una interfaz de control separada y su válvula o válvulas de control. En la figura 15, la referencia Pl corresponde al circuito HP1, la referencia P2 corresponde al circuito HP2 , y la referencia Pía corresponde al circuito HPla, y al referencia P2a corresponde al circuito HP2a.
A continuación se discutirá un ejemplo de una situación de control, en la cual el convertidor de presión se utiliza para llevar a cabo una conversión que quintuplica la presión. Se supone que el convertidor de presión aplica dos accionadores de cilindro presentados acoplados opuestamente entre sí y que tienen cuatro cilindros. Se supone que la presión del circuito LP1 acoplado al primer accionador es de aproximadamente 0 MPa y la presión del circuito HP1 es de aproximadamente 10 MPa. Se supone que la presión del circuito LPla acoplado al segundo accionador es de aproximadamente 0 MPa y la presión del circuito HPla es levemente inferior a 50 MPa. Ahora es posible transferir energía desde los circuitos de carga bajo presiones más bajas al circuito HPla, de la manera siguiente: se genera un movimiento de pistón para extender el primer accionador acoplando el control del primer accionador para que sea u%=15 y el control del segundo accionador para que sea u%=7, donde la relación entre las áreas efectivas de las cámaras de trabajo acopladas a las dos presiones más altas es 5:1. De manera correspondiente, se genera un movimiento opuesto del pistón acoplando el control del primer accionador para que sea u%=0 y el control del segundo accionador para que sea u%= , donde la relación entre dichas áreas se torna -5/-1 (=5/1) . De manera correspondiente, la conversión de presión puede llevarse a cabo en ambas direcciones de movimiento también con otras relaciones de conversión obtenidas por dicho accionador, que estén en la gama de 1:5 a 5:1.
Solamente se logran relaciones de conversión más altas de manera discontinua, o sea, solamente cuando el movimiento es en una de las dos direcciones . La relación de conversión máxima lograda en ambas direcciones de movimiento es determinada por la relación entre la suma de las áreas efectivas que hacen al accionador más corto y el área efectiva más pequeña que hacen más corto al accionador, la cual es, en este caso, (4+1)/ = 5/1.
Las gamas de producción de fuerza de dichos accionadores debe ser al menos en parte la misma, de modo que la fuerza suma efectiva sobre la parte móvil pueda mantenerse lo suficientemente pequeña, con lo cual también se evita el estrangulamiento del medio presurizado y no se consume energía innecesariamente .
Si el punto inicial es tal que ciertos circuitos de carga, por ejemplo HP1 y LP1, siempre son acoplados al primer accionador del convertidor de presión, y ciertos otros circuitos de carga, por ejemplo HPla y LPla, son siempre acoplados solamente al segundo accionador del convertidor de presión, es posible llevar a cabo una conversión eficiente de energía solamente en una gama tal de producción de fuerza común a dichos accionadores , en la cual las fuerzas de los accionadores son capaces de compensarse aproximadamente entre sí .
Si se desea hacer que el convertidor de presión utilice una gama más grande de conversión simétricamente en ambas direcciones de movimiento, esto puede realizarse con un acoplamiento que permita que solamente las fuerzas que extienden el accionador se usen en la conversión de presión. Este tipo de acoplamiento se usa para intercambiar los circuitos de carga conducidos a los accionadores para cada uno. En los ejemplos de las figuras 17 y 18, esto significa que el circuito de carga HP1 está acoplado en lugar del circuito de carga HPla, y el circuito de carga LPl es acoplado en lugar del circuito LPla. De manera correspondiente, el circuito de carga HPla es acoplado en lugar del circuito de carga HP1, y el circuito de carga LPla es acoplado en lugar del circuito de carga LPl. El intercambio tiene lugar por medio de una válvula o sistema valvular de control, por ejemplo una válvula direccional de dos posiciones y cuatro vías, de acuerdo con el circuito de control 125 de la figura 18, o alternativamente por medio de una conexión cruzada con válvulas de encendido/apagado (on/off ) , de acuerdo con el circuito de control 126 de la figura 17. Con el intercambio, se mantiene la relación de conversión del convertidor de presión, independientemente de la dirección de movimiento de la parte móvil. De este modo, las gamas de producción de fuerza de los accionadores no necesitan cortarse unas a otras para llevar a cabo una conversión de presión eficiente respecto a la energía.
Además, se obtienen más relaciones de conversión del convertidor de presión y combinaciones de acoplamiento de los circuitos de carga con un acoplamiento, en el cual una posibilidad de acoplamiento, o sea una interfaz de control separada, se provee entre cada cámara y cada circuito de carga. Por medio de este circuito de control, cualquier circuito de medio presurizado comprendido en el sistema puede ser acoplado a cualquier cámara de trabajo de cualquier accionador, donde la energía puede transferirse utilizando una relación de conversión simple (1:1) de un circuito de presión a otro circuito de presión y, utilizando varias relaciones de conversión alternativas diferentes, de dos o más circuitos de presión a uno o más otros circuitos de presión, o desde uno o más circuitos de presión a otros dos o más circuitos de presión, o de dos o más circuitos de presión a otros dos o más de circuitos de presión.
Acoplando el convertidor de presión a una fuente de energía externa, es posible transferir energía mecánica externa a los circuitos de carga de la forma de energía hidráulica. Por ejemplo, la energía cinética es efectiva sobre la parte móvil directamente o por medio de una pieza conectada a ella y genera un movimiento de bombeo preferiblemente alternativo, por medio del pistón del accionador de cilindro, genera la presión del medio presurizado en la cámara de trabajo. La energía hidráulica puede además almacenarse en una unidad de carga de energía o utilizarse de otros modos o en otros accionadores .
La invención no está limitada a los ejemplos presentados más arriba, sino que se aplica dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (45)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de medio presurizado, que comprende : al menos un accionador (23) o unidad accionadora, por medio del cual es posible generar fuerzas suma (Fcyl) que tengan efecto sobre dicha carga; - al menos una cámara de trabajo (18, 20, 21, 22) que opera por el principio de desplazamiento y ubicada en dicho accionador o unidad accionadora; caracterizado porque el sistema comprende además: - al menos un circuito de carga (HPi, HPia) de una presión más alta, que es una fuente de potencia hidráulica; - al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; - un circuito de control (40) , por medio del cual es posible acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión inferior (LPi, LPia) a su vez con al menos una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22), donde cada una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22) es capaz de generar componentes de fuerza (FA, B, FC, FD) que corresponden a las presiones de los circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) a ser acoplados a dicha cámara de trabajo, y cada componente de fuerza produce al menos una de dichas fuerzas suma ya sea sola o en combinación con los componentes de fuerza producidos por las otras cámaras de trabajo de dicho accionador o unidad accionadora.
2. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque al menos uno de dichos circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) es además capaz de recibir un caudal de la cámara de trabajo, a la cual es acoplado para generar un componente de fuerza.
3. Un sistema tal y como se reivindica en las cláusulas 1 o 2, caracterizado porque dicho accionador (23) o unidad accionadora está configurado para controlar la caga (L) por medio de dichas fuerzas suma, que son variables, donde para dicho control y en cada momento de tiempo, uno de dichos componentes de fuerza es seleccionado para ser usado por dicha cámara de trabajo.
4. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 3, caracterizado porque el circuito de control (40) comprende una primera interfaz de control controlable (9) para dicha cámara de trabajo, por medio de cuya interfaz la conexión a dicho circuito de carga de presión más alta (HPi, HPia) puede abrirse y cerrarse, y una segunda interfaz de control controlable (10) , por medio de la cual la conexión con dicho circuito de carga de presión inferior (HPi, HPia) puede abrirse y cerrarse.
5. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 4, caracterizado porque el circuito de control (40) comprende una serie de ínterfaces de control que están configuradas para suministrar la potencia hidráulica de los circuitos de carga a las cámaras de trabajo sustancialmente sin pérdida.
6. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 5, caracterizado porque el sistema comprende al menos dos de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22) , donde dicho circuito de control (40) está configurado para acoplar uno de los circuitos de carga a una de dichas cámaras de trabajo, para el suministro de potencia hidráulica, y simultáneamente acoplar otro circuito de carga a otra de dichas cámaras de trabajo para retornar un caudal simultáneamente a dicho segundo circuito de carga.
7. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 6, caracterizado porque dicho accionador o unidad accionadora está configurado como una unidad de carga de energía, en la cual la potencia hidráulica de cualquier circuito de carga puede convertirse en energía potencial a ser almacenada, y desde la cual, si es necesario, dicha energía potencial almacenada puede volver a convertirse en potencia hidráulica en un circuito de carga.
8. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 7, caracterizado porque cada circuito de carga comprende un acumulador de presión (17, 18) .
9. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 8, caracterizado porque el sistema también comprende: - al menos una unidad de bomba (111) que utiliza medio presurizado y produce potencia hidráulica; y un sistema valvular de control y seguridad (124) , por medio del cual dicha unidad de bomba puede ser acoplada a dichos circuitos de carga, uno o más al mismo tiempo, ya sea para suministrar potencia hidráulica a uno o más circuitos de carga, o para recibir medio presurizado de uno o más circuitos de carga, o para llevar a cabo ambas operaciones al mismo tiempo.
10. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 9, caracterizado porque : - dicha unidad de bomba (111) comprende una línea de succión (119) y una línea de presión (118) ; y - dicho sistema valvular de control y seguridad (124) está configurado para acoplar la línea de presión (118) a uno de los circuitos de carga para elevar su nivel de presión y mantenerlo en un nivel predeterminado; y -dicho sistema valvular de control y seguridad está además configurado para acoplar la línea de succión (119) a uno de los circuitos de carga para bajar su nivel de presión y mantenerlo en un nivel predeterminado.
11. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 10, caracterizado porque el número de dichas cámaras de trabajo es al menos dos, donde las relaciones de las áreas efectivas de dichas cámaras de trabajo siguen la serie NM, en la cual N es el número de dichos circuitos de carga, M es el número de dichas cámaras de trabajo, y tanto N como M son números enteros.
12. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 11, caracterizado porque el nivel de presión de al menos un circuito de carga de nivel más alto y al menos un circuito de carga de nivel más bajo, de los mencionados, es ajustable, donde las diferencias relativas entre dichas fuerzas suma generadas también son ajustables, y porque los niveles de presión de dichos circuitos de carga están configurados para corresponderse con las fuerza suma necesarias para el control de la carga (L) de una manera optimizada.
13. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 12, caracterizado porque dicho accionador o unidad accionadora es configurado, para el control de la carga, para acelerar dicha carga en una o más fuerzas suma y para desacelerar dicha carga en una o más fuerzas suma.
14. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 13, caracterizado porque durante la desaceleración de la carga, al menos una de dichas cámaras de trabajo es configurada para convertir la energía cinética de la carga en potencia hidráulica y para suministrarla a uno de dichos circuitos de carga.
15. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 14, caracterizado porque dicho accionador parte de un convertidor de presión (112) , por medio del cual la potencia hidráulica de un circuito de carga puede convertirse en la potencia hidráulica de otro circuito de carga.
16. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 15, caracterizado porque el sistema también comprende un convertidor de presión (112), por medio del cual puede transferirse potencia hidráulica desde al menos un circuito de carga hasta al menos un circuito de carga, donde el sistema también comprende: - al menos un sub-circuito de carga de presión más alta (HPia) ; - al menos un sub-circuito de carga (LPi, LPia) de presión más baja, el cual es una fuente de potencia hidráulica; - al menos un accionador auxiliar (23) o unidad accionadora auxiliar que constituye la carga de dicho accionador (23) ; - al menos una cámara de trabajo auxiliar que opera sobre el principio de desplazamiento y ubicada en dicho accionador auxiliar o unidad accionadora auxiliar; - un circuito de control (40) , por medio del cual dichos sub-circuitos de carga (HPla, LPla) pueden ser acoplados a su vez a cada una de dichas cámaras de trabajo, donde cada cámara de trabajo auxiliar es capaz de generar presión y caudal al sub-circuito de carga (HPla, LPla) , al cual está acoplada dicha sub-cámara de trabajo, y donde el accionador (23) o unidad accionadora está configurado para mover dicho accionador auxiliar o unidad accionadora auxiliar para transferir potencia hidráulica .
17. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 16, caracterizado porque dicho accionador (23) comprende una primer parte móvil y el accionador auxiliar comprende una segunda parte móvil, donde dichas partes móviles están interconectadas para transferir un movimiento entre dicho accionador y dicho accionador auxiliar.
18. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 16 o 17, caracterizado porque al menos tres circuitos de carga, cuyas presiones difieren entre sí, pueden ser acoplados a su vez a cada cámara de trabajo y cada cámara de trabajo auxiliar.
19. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 16 a 18, caracterizado porque el aparato también comprende un circuito de control (125, 126), por medio del cual al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi) puede acoplarse al accionador auxiliar en vez de al accionador (23) y simultáneamente al menos uno de los sub-circuitos de carga de presión más baja (LPia) puede acoplarse a dicho accionador (23) en vez que al accionador auxiliar, y por medio del cual al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más baja (LPi) puede acoplarse al accionador auxiliar en vez del accionador (23) y simultáneamente al menos uno de dichos sub-circuitos de carga de presión más alta (HPia) puede acoplarse a dicho accionador en vez del accionador auxiliar, donde puede generarse un movimiento alternativo en el convertidor de presión, por medio del cual pueden generarse movimiento de presión y del caudal sin interrupción.
20. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 16 a 19, caracterizado porque las partes móviles del accionador (23) y el accionador auxiliar son acopladas a una fuente externa de energía cinética que mueve dichas partes móviles y genera potencia hidráulica a dichas cámaras de trabajo y al circuito de carga asociado a las mismas .
21. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 16 a 20, caracterizado porque el aparato comprende un circuito de control (126) , por medio del cual cualquier circuito de carga puede ser acoplado a cualquier cámara de trabajo de cualquier accionador, donde la energía puede ser transferida de dos o más circuitos de carga a uno o más de otros circuitos de carga, o de uno o más circuitos de carga a dos o más de otros circuitos de carga, o de dos o más circuitos de carga a dos o más de otros circuitos de carga, utilizando varias relaciones de conversión alternativas.
22. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 21, caracterizado porque el sistema también comprende: - al menos un controlador (24) para el control de la fuerza suma generada por un accionador o unidad accionadora, dispuesto para controlar dicho circuito de control (40) y que tiene, como su entrada, un valor guía (31) para la fuerza suma a ser generada, la aceleración de la carga, la velocidad de la carga, o la posición de la carga; - donde dicho controlador es además configurado para controlar, en cada momento de tiempo, los acoplamientos efectuados por dicho circuito de control (40) de tal modo que los componentes de fuerza generados producen una fuerza suma correspondiente o relacionada cercanamente con dicho valor guía (31) .
23. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 22, caracterizado porque los estados de dicho circuito de control (40) son almacenados en dicho controlador, representando cada uno de los estados los acoplamientos de dicho circuito de control para generar una fuerza suma, donde dicho controlador está configurado para establecer los estados del circuito de control en un orden tal que se corresponda proporcionalmente con el orden escalonado de las fuerzas suma a ser generadas; y donde la salida de dicho controlador está formada por los valores de control (37, 39) a ser dados a dicho circuito de control para ajustar dicho circuito de control en un estado tal que se corresponda con dicho valor guía (31) en cada situación de carga.
24. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 23, caracterizado porque el circuito de control (40) comprende al menos una interfaz de control controlable (9) , por medio de la cual puede abrirse y cerrarse la conexión con cualquier circuito de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) , donde estos estados del circuito de control no son seleccionados para su uso en dicho controlador, por lo cual el efecto de una interfaz de control defectuosa sobre la fuerza suma a ser generada es significativo.
25. Un sistema tal y como se reivindica en la cláusula 23, caracterizado porque el circuito de control (40) comprende al menos una interfaz de control controlable (9), por medio de la cual puede abrirse y cerrarse la conexión con cualquier circuito de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) , donde como resultado de una falla en la superficie de control, dicho controlador está configurado para establecer los estados del circuito de control en un nuevo orden tal que se corresponda proporcionalmente con el orden gradual de las fuerzas suma a ser generadas en una situación en la cual la interfaz de control defectuosa aún está en uso.
26. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 24 ó 25, caracterizado porque el controlador está dispuesto para monitorear el estado de dicha interfaz y para controlar si su estado corresponde al estado de acuerdo con el valor de control, y concluir si hay una situación de falla en dicha interfaz de control.
27. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 22 a 26, caracterizado porque los estados de dichas cámaras de trabajo son almacenados en dicho controlador, representando cada uno de los estados los acoplamientos de las cámaras de trabajo del accionador para generar una fuerza suma, y los valores de control correspondientes a las mismas, graduadas en escala en un orden que corresponde proporcionalmente al orden gradual de las fuerzas suma a ser generadas .
28. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 17 a 27, caracterizado porque el sistema comprende además al menos un circuito de carga de una presión intermedia ( Pi, MPia) , que es la fuente de potencia hidráulica y cuyo nivel de presión está comprendido entre dicha presión más alta y dicha presión más baja; y porque para minimizar pérdidas de energía, dicho controlador está configurado para acoplar la cámara de trabajo al circuito de carga del medio sin estrangulamiento ; y porque el acoplamiento a dicha presión media tiene lugar antes que la presión de la cámara de trabajo es conmutada a la presión más alta, cuando hay una presión más baja en la cámara de trabajo, y antes que la presión de la cámara de trabajo sea conmutada a la presión más baja, donde hay una presión más alta en la cámara de trabajo, donde la energía necesaria para el cambio de estado es primero pasa de la cámara de trabajo o circuito de carga por medio de una inductancia parásita de la tubería a energía cinética del circuito de carga y en consecuencia adicionalmente a la energía de presión de la cámara de trabajo, antes de llevar a cabo el acoplamiento final de la cámara de trabajo al circuito de carga de la presión más alta o más baja (HPi, LPi) .
29. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 28, caracterizado porque dicho accionador es un accionador (45) de un dispositivo pivotante (41) , para controlar el movimiento pivotante de una carga (L) acoplada a dicho dispositivo pivotante, donde hay al menos dos accionadores (45, 46) y generan un momento total variable (Mtot) efectivo sobre la carga, y el dispositivo pivotante comprende además elementos (47) para convertir los movimientos lineales generados por dichos accionadores en un movimiento pivotante de la carga.
30. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 28, caracterizado porque dicho accionador controlado por fuerza o ajustado por fuerza implementado por un método de control sin estrangulación es un accionador (50, 51, 52, 53) de un motor de bomba, con lo cual un momento de carga con una dirección opuesta a la dirección de rotación es generado sobre un eje impulsor acoplado a una fuente de energía externa, tal como un motor impulsor, donde dicho accionador actúa como una bomba en combinación con otros accionadores acoplados al mismo oscilador.
31. Un sistema tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 1 a 30, caracterizado porque dicho accionador es el accionador (50, 51, 52, 53) de un dispositivo rotatorio, para controlar el movimiento de rotación de una carga acoplada a dicho dispositivo rotatorio, donde el número de accionadores es al menos dos, y el dispositivo rotatorio comprende además elementos (54, 55) para convertir los movimientos lineales generados por dichos accionadores en un movimiento de rotación de la carga.
32. Un dispositivo pivotante para controlar el movimiento pivotante de una carga, que comprende: - al menos dos accionadores (45, 46) o unidades accionadoras , por medio de las cuales las fuerzas suma efectivas sobre la carga (L) pueden ser generadas para el control del movimiento pivotante de la carga (L) , al menos dos cámaras de trabajo que operan sobre el principio de desplazamiento, ubicadas en dichos accionadores o unidades accionadoras , elementos (45, 46, 47) para convertir los movimientos generados por dichos accionadores o unidades accionadores en un movimiento pivotante de la carga y para convertir las fuerzas suma generadas en un momento total (Mtot) efectivo sobre la carga; caracterizado porque el dispositivo pivotante comprende además: - al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; - un circuito de control (40) , por medio del cual es posible acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión inferior (LPi, LPia) a su vez con al menos una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22) , donde cada una de dichas cámaras de trabajo (10, 20, 21, 22) es capaz de generar componentes de fuerza (FA, B, FC, FD) que corresponden a las presiones de los circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) a ser acoplados a dicha cámara de trabajo, y cada componente de fuerza produce al menos una de dichas fuerzas suma ya sea sola o en combinación con los componentes de fuerza producidos por las otras cámaras de trabajo de dicho accionador o unidad accionadora.
33. Un dispositivo pivotante tal y como se reivindica en la cláusula 32, caracterizado porque el dispositivo pivotante comprende al menos cuatro de dichas cámaras de trabajo, y porque las relaciones de las áreas efectivas de dichas cámaras de trabajo siguen la serie NM, en la cual N es el número de dichos circuitos de carga, M es el número de dichas cámaras de trabajo, y tanto N como M son números enteros .
34. Un dispositivo pivotante tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 32 ó 33, caracterizado porque dichos accionadores o unidades accionadoras son accionadores de cilindro paralelos en la misma posición, que generan fuerzas suma en direcciones opuestas, y porque el dispositivo pivotante comprende una rueda de engranaje pivotante, por medio de la cual dichas fuerzas suma pueden convertirse en momentos totales correspondientes (Mtot) , donde dichos accionadores o unidades accionadoras están ubicados sobre lados opuestos de dicha rueda de engranaje pivotante .
35. Un dispositivo pivotante tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 32 a 34, caracterizado porque el dispositivo pivotante comprende además al menos un controlador (24) provisto para el control de fuerza del dispositivo pivotante y configurado para controlar dicho circuito de control (40) y que tiene, como su entrada, un valor guía (31) para la fuerza suma a ser generada,- donde dicho controlador está además configurado para controlar, en cualquier momento de tiempo, los acoplamientos efectuados por dicho circuito de control (40) de tal modo que los componentes de fuerza generados producen una fuerza suma correspondiente o cercanamente relacionada a dicho valor guía (31) .
36. Un dispositivo rotatorio para controlar la rotación de una carga, que comprende: - al menos dos accionadores (50, 51, 52, 53) o unidades accionadoras, por medio de los cuales pueden generarse momentos totales (Mtot) efectivos sobre la carga (L) para el control del movimiento pivotante de la carga (L) , - al menos dos cámaras de trabajo que operan sobre el principio de desplazamiento, ubicadas en dichos accionadores o unidades accionadoras, - elementos (54, 55) para convertir los movimientos generados por dichos accionadores o unidades accionadoras en un movimiento de rotación de la carga; caracterizado porque el dispositivo rotatorio comprende además: - al menos un circuito de carga (HPi, HPia) de presión más alta, que es una fuente de potencia hidráulica; - al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; y - un circuito de control (40) por medio del cual es posible acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más baja (LPi, LPia) a su vez a al menos dos de dichas cámaras de trabajo, donde cada una de dichas cámaras de trabajo (10, 20, 21, 22) es capaz de generar componentes de fuerza (FA, FB, F, FD) que corresponden a las presiones de los circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) a ser acoplados a dicha cámara de trabajo, y cada componente de fuerza produce al menos uno de dichos momentos totales ya sea solo o en combinación con los componentes de fuerza producidos por las otras cámaras de trabajo de dicho accionador o unidad accionadora .
37. Un dispositivo rotatorio tal y como se reivindica en la cláusula 36, caracterizado porque el dispositivo rotatorio excéntrico comprende al menos cuatro de dichos accionadores o unidades accionadoras y al menos cuatro de dichas cámaras de trabajo.
38. Un dispositivo rotatorio tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 36 o 37, caracterizado porque las relaciones de las áreas efectivas de dichas cámaras de trabajo siguen la serie NM, en la cual N es el número de dichos circuitos de carga, M es el número de dichas cámaras de trabajo, y tanto N como M son números enteros.
39. Un dispositivo rotatorio tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 36 a 38, caracterizado porque el dispositivo rotatorio comprende además al menos un controlador (24) provisto para el control de fuerza del dispositivo giratorio y configurado para controlar dicho circuito de control (40) y que tiene, como su entrada, un valor gula (31) para la fuerza suma a ser generada; donde dicho controlador está además configurado para controlar, en cualquier momento de tiempo, los acoplamientos efectuados por dicho circuito de control (40) de tal modo que los componentes de fuerza generados producen una fuerza suma correspondiente o cercanamente relacionada a dicho valor guía (31) .
40. Un dispositivo rotatorio tal y como se reivindica en cualquiera de las cláusulas 36 a 39, caracterizado porque al menos una de dichas cámaras de trabajo está configurada, durante el movimiento pivotante de la carga, para generar potencia hidráulica y para suministrarla a uno de dichos circuitos de carga.
41. Un método en un sistema de medio presurizado, donde el sistema comprende: al menos un accionador (23) o unidad accionadora, por medio del cual es posible generar fuerzas suma (Fcyl) que tengan efecto sobre dicha carga; - al menos una cámara de trabajo (19, 20, 21, 22) que opera por el principio de desplazamiento y ubicada en dicho accionador o unidad accionadora; caracterizado porque el sistema comprende además: - al menos un circuito de carga (HPi, HPia) de una presión más alta, que es una fuente de potencia hidráulica; - al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; - un circuito de control (40) , por medio del cual es posible acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión inferior (LPi, LPia) a su vez con al menos una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22); comprendiendo el método: generar, en cada una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22) , componentes de fuerza (FA, FB, FC, FD) que corresponden a las presiones de los circuitos de carga (HPi, HPia, LPi, LPia) a ser acoplados a dicha cámara de trabajo; y producir con cada componente de fuerza, al menos una de dichas fuerzas suma ya sea sola o en combinación con los componentes de fuerza producidos por las otras cámaras de trabajo de dicho accionador o unidad accionadora.
42. Un método tal y como se reivindica en la cláusula 41, caracterizado porque el sistema también comprende: - al menos un controlador (24) para el control de la fuerza suma generada por un accionador o unidad accionadora, dispuesto para controlar dicho circuito de control (40) y que tiene, como su entrada, un valor guía (31) para la fuerza suma a ser generada, la aceleración de la carga, la velocidad de la carga, o la posición de la carga; comprendiendo además el método: - utilizar dicho controlador para controlar, en cada momento de tiempo, los acoplamientos efectuados por dicho circuito de control (40) de tal modo que los componentes de fuerza generados produzcan una fuerza suma correspondiente o cercanamente relacionada a dicho valor guía (31) .
43. Un controlador para el control de un sistema de medio presurizado, comprendiendo el sistema de medio presurizado : al menos un accionador (23) o unidad accionadora, por medio del cual es posible generar fuerzas suma (Fcyl) que tengan efecto sobre dicha carga; - al menos una cámara de trabajo (19, 20, 21, 22) que opera por el principio de desplazamiento y ubicada en dicho accionador o unidad accionadora; caracterizado porque el sistema de medio presurizado comprende además: - al menos un circuito de carga (HPi, HPia) de una presión más alta, que es una fuente de potencia hidráulica; - al menos un circuito de carga (LPi, LPia) de una presión más baja, que es una fuente de potencia hidráulica; - un circuito de control (40) , por medio del cual es posible acoplar al menos uno de dichos circuitos de carga de presión más alta (HPi, HPia) y al menos uno de dichos circuitos de carga de presión inferior (LPi, LPia) a su vez con al menos una de dichas cámaras de trabajo (19, 20, 21, 22), donde pueden generarse componentes de fuerza correspondientes en cada cámara de trabajo; donde dicho controlador está configurado: - para controlar dicho circuito de control (40) sobre la base de una entrada que es un valor guía (31) para la fuerza suma a ser generada, la aceleración de la carga, la velocidad de la carga, o la posición de la carga; y - para controlar, en cada momento de tiempo, los acoplamientos efectuados por dicho circuito de control (40) de modo tal que dichas cámaras de trabajo produzcan una fuerza suma correspondiente o relacionada cercanamente a dicho valor guía (31) de modo un componente de fuerza generado solo o una combinación de varios componentes de fuerza generados produce dicha fuerza suma.
44. Un controlador tal y como se reivindica en la cláusula 43, caracterizado porque los estados de dicho circuito de control (40) son almacenados en dicho controlador, representando cada uno de los estados los acoplamientos de dicho circuito de control para generar una fuerza suma, donde dicho controlador está configurado para establecer los estados del circuito de control en un orden tal que se corresponda proporcionalmente con el orden escalonado de las fuerzas suma a ser generadas;- y donde la salida de dicho controlador está formada por los valores de control (37, 39) a ser dados a dicho circuito de control para ajustar dicho circuito de control en un estado tal que se corresponda con dicho valor guía (31) en cada situación de carga.
45. Un controlador tal y como se reivindica en las cláusulas 43 o 44, caracterizado porque los estados de dichas cámaras de trabajo son almacenados en dicho controlador, representando cada uno de los estados los acoplamientos de las cámaras de trabajo del accionador para generar una fuerza suma, y los valores de control correspondientes a ellos, graduados en escala en un orden que corresponde proporcionalmente al orden gradual de las fuerzas suma a ser generadas .
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