WO2010136271A2 - Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen reglers - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a control method of a digital hydraulic controller.
  • Hydraulics is widely used as actuation and control means;
  • actuators are hydraulically driven, with which large forces can be set and exercised with high accuracy.
  • a working fluid e.g. Hydraulic oil, water, a water emulsion, a gas or a gas emulsion used, which is pressurized by a pump.
  • Hydraulic cylinder or a hydraulic motor is typically controlled by a proportional control valve or
  • Proportional valve controlled which can be electrically, hydraulically or pneumatically driven.
  • Such a control valve has a displaceable or displaceable spool or spool, which in
  • a digital hydraulic pressure regulator consists of a series of valves connected in parallel, which have only ON / OFF functions; So simple ON / OFF switching valves are that allow or interrupt a flow and can be consistently referred to in this application as valves.
  • the valves are all connected to a common supply line on the one hand and to a common output line on the other.
  • the valves themselves may be conventional solenoid valves, i. Be valves with electromagnetic drive. Of course, other forms of drive can be chosen.
  • valves By connecting or installing throttle elements or by the valves themselves, it is ensured that the valves have different flows when they are open. If, for example, four valves are provided, then the flow rates Q in the individual, in each case by the associated valve selectively releasable passages in the ratio of 1: 2: 4: 8 to each other; at a larger number of valves will continue this series accordingly.
  • valves are either open or closed, i. To maintain a desired pressure in a closed (and unchanged) system, the valves are simply closed and there are no internal leakage flows. This is a clear difference to the conventional proportional valve, which is always flowed through by a hydraulic oil flow. This constantly costs energy for the hydraulic pumps, e.g. in the paper machine.
  • a digital hydraulic actuator is normally assigned four valve banks, each having a same Number of valves and / or restrictors have.
  • the valve banks are also referred to as a digital flow control unit and are therefore provided in FIG. 1 with the abbreviation DFCU.
  • the hydraulic system of Fig. 1 consists of a by means of two actuators 1, 5 displaceable cylinder 3, which is to be guided against a fixed cylinder 7.
  • the actuators 1, 5 have a first chamber A and a second chamber B. If the pressure in the respective chamber A is increased in relation to the pressure in the respective chamber B, there is an advancing movement of the movable cylinder 3 against the fixed cylinder 7. In contrast, there is a return movement when the pressure in the respective chamber B is increased.
  • Each actuator 1, 5 is a digital hydraulic controller 2, 4 assigned, which have the same structure.
  • valves of the valve banks PA in the two digital hydraulic controllers 2, 4 are switched so that a connection between a pump P for generating a hydraulic pressure in a working fluid and the chamber A in the actuators 1, 5 is made .
  • the valves of the valve banks B-T in the digital hydraulic controllers are switched to establish communication between the respective chambers B and a tank T for the hydraulic fluid. The switching of the valves creates a certain flow for the hydraulic fluid.
  • valve banks PB and AT in the two digital hydraulic Controllers 2, 4 switched so that a connection between the pump P and the chamber B is made in the actuators.
  • an accumulator may be provided between the pump and the valve banks which is supplied with hydraulic fluid as needed via the pump so that a minimum hydraulic pressure is always available in the hydraulic system.
  • the pressure accumulator can be supplied with the hydraulic fluid from the tank T.
  • valve banks AT, PA, PB, BT Since the hydraulic fluid can flow in both directions through the valve banks AT, PA, PB, BT, it is possible in certain operating states to switch the valve banks so that the hydraulic fluid from the tank into one of the chambers A or B (TA, TB) is sucked. Also, in certain operating conditions, it may be possible to let the hydraulic fluid flow from one of the chambers A or B to the pressure accumulator or pump (A-P, B-P).
  • FIG. 4 shows the reduction of the flows to be checked on the basis of a coordinate system in which each point corresponds to a possible valve switching combination or a possible flow. However, not all 4096 possible flows are shown for reasons of space.
  • the hatched area in Fig. 4 indicates a sector containing the most likely flows to be considered for review. In the prior art, the out-of-sector flows are ignored in the review. In the case of the mentioned six valves per valve bank, the number of flows to be checked is reduced to approximately 400 to 800 in this way.
  • a digital hydraulic controller has valves that can be switched on one another individually and in different combinations.
  • Valve switch combinations corresponds to a flow. A currently required flow will be limited
  • Number of flows selected that is less than the total number of flows.
  • the limited number of flows is in a range around the previous current flow.
  • control can advantageously approach the valve combination in all directions, the corresponding flow of which creates the pressure ratio required in the actuator.
  • control is not limited to a limited number of flows.
  • valves are divided into two valve banks or digital flow control units, so that the flows can be transferred into a two-dimensional coordinate system.
  • the axes of the coordinate system correspond to the valve switching combinations or flows of the individual valve banks.
  • the area from which the selection of the currently required flow takes place can be the flow field in the coordinate system define.
  • the center of the flow field can advantageously be formed by the previously current flow.
  • the flow field in the ordinate as well as in the abscissa direction can be defined by the same number of flows.
  • valve banks each have six valves, that the flow field has a square shape, which can be defined by 7 x 7 flow rates or by 4 x 4 flow rates.
  • the flow field may include other shapes such as e.g. have a cross shape, a circular shape or an ellipse shape.
  • the selection of the currently required flow can be carried out by means of a mathematical algorithm from the limited number of flow rates or from the flow field.
  • a penalty function can be used particularly advantageously as a mathematical algorithm.
  • the target pressure may correspond to the pressure which is to be present in a pressure chamber of an actuator to achieve a specific state.
  • a digital hydraulic controller which is operated according to the above-described control method, can be used in a hydraulic system for a machine with a be used hydraulic actuator. Further, in the hydraulic system, a high-pressure accumulator for storing a hydraulic working fluid under pressure and a pump for feeding the high-pressure working fluid into and charging the high-pressure accumulator may be provided.
  • FIG. 1 shows a hydraulic system for a machine to which the control method according to the invention can be applied
  • FIG. 2 is a schematic view of an exemplary construction of digital flow control units of a digital hydraulic controller
  • FIG. 3 is a schematic representation of a method for selecting a currently required flow according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a method for reducing selectable flow rates according to the prior art.
  • a control method of a digital hydraulic controller according to the embodiment may be carried out on a hydraulic system according to FIG. 1, which has already been dealt with in the introduction to the description.
  • 2 shows a schematic arrangement of the individual digital flow control units (DFCU) or valve banks AT, PA, PB, BT, each with five valves.
  • the valves are solenoid valves.
  • the valves are followed by a throttle, whereby different flow rates of the individual valves can be achieved.
  • valve banks of the digital hydraulic controller 2 are shown, which is assigned to the actuator 1.
  • the valve banks P-A and B-T are combined for one feed movement, while the valve banks P-B and A-T are combined for a return movement.
  • an accumulator is provided between the pump and the valve banks, which is supplied with hydraulic fluid as needed by the pump so that a minimum hydraulic pressure is available at all times.
  • the pressure accumulator can be supplied with the hydraulic fluid from the tank T.
  • a reset movement is treated using the example of the digital hydraulic controller.
  • the hydraulic fluid from the pump or the accumulator via the valve bank P-B is passed into the chamber B of the actuator 1, while the hydraulic fluid from the chamber A of the actuator 1 is passed through the valve bank A-t in the tank.
  • a currently required flow D new determined whose valve switching combination in the actuator provides the pressure which is closest to the required pressure for the reset movement.
  • a flow field in the form of a square is formed around the previously current one
  • a new flow field whose size is again 7 x 7 flows is defined in order to determine the currently required flow rate D new .
  • this new flow field is drawn with solid lines and hatching.
  • the currently required flow D new is defined as the previous current flow and the determination of the next currently required flow is made one of the channels in the hatched square.
  • the method was also carried out at a pressure adjustment in a state in which the cylinder 3 was fully delivered to the fixed cylinder 7.
  • the pressure adjustment is at an operation of e.g. a paper machine in this state required to ensure at all times compliance with the required distance and pressure between the cylinders, on the one hand to obtain an excellent product and on the other hand to prevent damage or failure of the cylinder.
  • the flow field was reduced from 126 points according to the prior art to 16 points, resulting in a time reduction from 2.1 ms to 0.31 ms.
  • a further advantage achieved by the method according to the invention is that, due to the reduction of the necessary computer power, it is used on a commercial PC instead of a specially designed one Research PC can be operated with excessive computer power.

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Abstract

Ein digitalhydraulischer Regler hat Ventile, die einzeln und in unterschiedlichen Kombinationen miteinander schaltbar sind. Jede dieser Ventilschaltkombinationen entspricht einem Durchfluss. Ein aktuell erforderlicher Durchfluss (Dneu) wird aus einer begrenzten Anzahl von Durchflüssen ausgewählt, die kleiner als die Gesamtanzahl der Durchflüsse ist. Außerdem liegt die begrenzte Anzahl der Durchflüsse in einem Bereich um den vorangehend aktuellen Durchfluss (Dalt).

Description

STEUERUNGSVERFAHREN EINES DIGITALHYDRAULISCHEN REGLERS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers.
Hydraulik wird verbreitet als Betätigungs- und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
In der Regel wird ein Arbeitsfluid, z.B. Hydrauliköl, Wasser, eine Wasseremulsion, ein Gas oder eine Gasemulsion verwendet, das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird.
Die Einleitung des unter Druck stehenden Hydrauliköls in ein hydraulisches Stellglied, wie z.B. einen
Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor wird typischerweise durch ein proportionales Steuerventil oder
Proportionalventil gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.
Ein solches Steuerventil hat einen verschieb- oder verlagerbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in
Antwort auf seine Lage in einem zugehörigen Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann, indem der Druck von der Pumpe gelieferten Hydrauliköls heruntergeregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens im Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine innere Leckage des Steuerventils unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht zu eng gewählt werden, denn sonst würde das Ventil zu anfällig gegen Verschmutzungen im Hydrauliköl. In letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler bezeichnet werden sollen. Werden solche digitalhydraulischen Druckregler als Druckminderer eingesetzt, werden diese in der vorliegenden Anmeldung durchgehend als digitalhydraulische Druckminderer bezeichnet .
Die Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler ist beispielsweise in der Zeitschrift Fluid Nr. 7-8, 2008 S. 12, 13 genauer beschrieben. Der verbesserten Lesbarkeit dieser Anmeldung halber wird die Arbeitsweise digitalhydraulischer Druckregler nochmals sehr kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein digitalhydraulischer Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter Ventile, die lediglich AUF/ZU Funktion besitzen; also einfache EIN/AUS- Schaltventile sind, die einen Durchfluss zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
Durch Anschluss oder Einbau von Drosselelementen bzw. durch die Ventile selbst ist dafür gesorgt, dass die Ventile unterschiedliche Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind. Wenn beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt .
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine rasche und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird erreicht, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten proportionalen Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei anzufahren.
Ein weiterer Vorteil der digitalhydraulischen Regelung liegt darin, dass die Ventile entweder offen oder geschlossen sind, d.h. zum Halten eines Solldrucks in einem geschlossenen (und unveränderten) System sind die Ventile einfach geschlossen und es gibt keine inneren Leckageströme. Damit besteht ein deutlicher Unterschied zum herkömmlichen Proportionalventil, das stets von einem Hydraulikölstrom durchflössen ist. Dies kostet ständig Energie für die Hydraulikpumpen, z.B. in der Papiermaschine .
Somit ist zu erkennen, dass es der Einsatz von digitalhydraulischen Druckreglern gestattet, die
Hydraulikpumpen weniger oft oder kürzer zu betreiben, wodurch Energie gespart werden kann.
Einem digitalhydraulischen Stellglied sind im Normalfall vier Ventilbänke zugeordnet, die jeweils eine gleiche Anzahl von Ventilen und/oder Drosseln aufweisen. Eine schematische Darstellung eines solchen Hydrauliksystems, das beispielsweise an einer Papiermaschine eingesetzt werden kann, ist der Fig. 1 zu entnehmen. Die Ventilbänke werden auch als digitale Strömungssteuerungseinheit bezeichnet und sind daher in der Fig. 1 mit der Abkürzung DFCU versehen.
Das Hydrauliksystem der Fig. 1 besteht aus einem mittels zwei Stellgliedern 1, 5 verschiebbaren Zylinder 3, der gegen einen fest angeordneten Zylinder 7 zu führen ist. Die Stellglieder 1, 5 weisen eine erste Kammer A und eine zweite Kammer B auf. Wird der Druck in der jeweiligen Kammer A im Verhältnis zu dem Druck in der jeweiligen Kammer B erhöht, kommt es zu einer Zustellbewegung des beweglichen Zylinders 3 gegen den festen Zylinder 7. Im Gegensatz kommt es zu einer Zurückstellbewegung, wenn der Druck in der jeweiligen Kammer B erhöht wird. Jedem Stellglied 1, 5 ist dabei ein digitalhydraulischer Regler 2, 4 zugeordnet, die den gleichen Aufbau aufweisen.
Um die Zustellbewegung zu erreichen, werden die Ventile der Ventilbänke P-A in den beiden digitalhydraulischen Reglern 2, 4 so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen einer Pumpe P zur Erzeugung eines hydraulischen Drucks in einem Arbeitsfluid und der Kammer A in den Stellgliedern 1, 5 hergestellt ist. Gleichzeitig werden die Ventile der Ventilbänke B-T in den digitalhydraulischen Reglern geschaltet, um für das Hydraulikfluid eine Verbindung zwischen den jeweiligen Kammern B und einem Tank T herzustellen. Durch das Schalten der Ventile entsteht ein bestimmter Durchfluss für das Hydraulikfluid.
Für eine Zurückstellbewegung werden dementsprechend die Ventilbänke P-B und A-T in den beiden digitalhydraulischen Reglern 2, 4 so geschaltet, dass eine Verbindung zwischen der Pumpe P und der Kammer B in den Stellgliedern hergestellt ist.
Zwischen der der Pumpe und den Ventilbänken kann außerdem ein Druckspeicher vorgesehen sein, der nach Bedarf über die Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird, damit in dem Hydrauliksystem jederzeit ein Mindest-Hydraulikdruck verfügbar ist. Dabei kann der Druckspeicher mit dem Hydraulikfluid aus dem Tank T gespeist werden.
Da das Hydraulikfluid in beiden Richtungen durch die Ventilbänke A-T, P-A, P-B, B-T strömen kann, ist es in bestimmten Betriebszuständen möglich, die Ventilbänke so zu schalten, dass das Hydraulikfluid aus dem Tank in eine der Kammern A oder B (T-A; T-B) gesaugt wird. Ebenfalls kann es in bestimmten Betriebszuständen möglich sein, das Hydraulikfluid aus einer der Kammern A oder B zu dem Druckspeicher bzw. der Pumpe (A-P; B-P) strömen zu lassen.
Da jede Ventilbank mehrere Ventile und Drosseln gleicher aufweist, besteht eine sehr große Anzahl an verschiedenen Ventilschaltkombinationen bzw. diesen jeweils entsprechenden Durchflüssen. Beispielsweise gibt es bei sechs Ventilen pro Ventilbank eine Anzahl von 212 = 4096 unterschiedlichen Ventilschaltkombinationen bzw. Durchflüssen alleine für die Zustellbewegung, sowie weitere 4096 Durchflüsse für die Zurückstellbewegung.
Da es einer übermäßig hohen Rechnerleistung bedarf, um in dem Betrieb eines derartigen Hydrauliksystems die gerade erforderlichen Durchflüsse zu ermitteln, wurde ein Ansatz unternommen, gemäß dem lediglich die Durchflüsse überprüft werden, die zur Herbeiführung eines gewünschten Drucks in dem Stellglied 1 am wahrscheinlichsten erforderlich sind. Fig. 4 stellt die Reduktion der zu überprüfenden Durchflüsse anhand eines Koordinatensystems dar, in dem jeder Punkt einer möglichen Ventilschaltkombination bzw. einem möglichen Durchfluss entspricht. Allerdings sind aus Platzgründen nicht alle 4096 möglichen Durchflüsse dargestellt .
Der schraffierte Bereich in Fig. 4 bezeichnet einen Sektor, in dem die wahrscheinlichsten Durchflüsse liegen, die für die Überprüfung in Erwägung gezogen werden. Gemäß dem Stand der Technik werden die außerhalb dieses Sektors liegenden Durchflüsse bei der Überprüfung außer Acht gelassen. In dem Fall der erwähnten sechs Ventile pro Ventilbank wird auf diese Weise die Anzahl der zu überprüfenden Durchflüsse auf ca. 400 bis 800 reduziert.
Obwohl diese Reduktion zu einer geringeren Anforderung an die verwendete Rechnerleistung führt, ist die erforderliche Rechnerleistung zur Überprüfung dieser 400 bis 800 Durchflüsse immer noch zu hoch bzw. erfordert die Überprüfung zu viel Zeit. Das wiederum wirkt sich nachteilig auf die Steuerung des Hydrauliksystems aus.
Außerdem ist es durch die Einschränkung auf die 400 bis 800 wahrscheinlichsten Ventilschaltkombinationen nicht möglich, außerhalb dieses Bereichs liegende, andere
Ventilschaltkombinationen herzustellen. Daher ist es nicht möglich, in besonderen, von den am öftesten auftretenden Standardsituationen abweichenden Situationen entsprechend zu reagieren.
Somit ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers bereitzustellen, das eine verringerte Rechnerleistung erfordert .
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden gemäß den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Erfindungsgemäß hat ein digitalhydraulischer Regler Ventile, die einzeln und in unterschiedlichen Kombinationen miteinander schaltbar sind. Jede dieser
Ventilschaltkombinationen entspricht einem Durchfluss. Ein aktuell erforderlicher Durchfluss wird aus einer begrenzten
Anzahl von Durchflüssen ausgewählt, die kleiner als die Gesamtanzahl der Durchflüsse ist. Außerdem liegt die begrenzte Anzahl der Durchflüsse in einem Bereich um den vorangehend aktuellen Durchfluss.
Dadurch kann sich die Steuerung vorteilhaft in sämtliche Richtungen an die Ventilkombination herantasten, deren entsprechender Durchfluss das in dem Stellglied erforderliche Druckverhältnis schafft. Außerdem ist die Steuerung dabei nicht auf eine eingeschränkte Anzahl der Durchflüsse beschränkt.
Vorteilhaft sind die Ventile auf zwei Ventilbänke bzw. digitale Strömungssteuerungseinheiten aufgeteilt, sodass die Durchflüsse in ein zweidimensionales Koordinatensystem übertragen werden können. Die Achsen des Koordinatensystems entsprechen dabei den Ventilschaltkombinationen bzw. Durchflüssen der einzelnen Ventilbänke.
Besonders vorteilhaft kann es sein, den Bereich, aus dem die Auswahl des aktuell erforderlichen Durchflusses erfolgt, als Durchflussfeld in dem Koordinatensystem zu definieren. Dabei kann der Mittelpunkt des Durchflussfelds vorteilhaft durch den vorangehend aktuellen Durchfluss gebildet werden.
Außerdem kann das Durchflussfeld in Richtung der Ordinate wie auch in Richtung der Abszisse durch die gleiche Anzahl an Durchflüssen definiert sein.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Ventilbänke jeweils sechs Ventile aufweisen, dass das Durchflussfeld eine quadratische Form aufweist, die durch 7 x 7 Durchflüsse oder durch 4 x 4 Durchflüsse definiert sein kann .
Alternativ kann das Durchflussfeld auch andere Formen wie z.B. eine Kreuzform, eine Kreisform oder eine Ellipsenform aufweisen .
Erfindungsgemäß kann die Auswahl des aktuell erforderlichen Durchflusses mittels eines mathematischen Algorithmus aus der begrenzten Anzahl von Durchflüssen bzw. aus dem Durchflussfeld durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft kann dabei eine Penalty-Funktion als mathematischer Algorithmus eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft entspricht der aktuell erforderliche Durchfluss jener Ventilschaltkombination, die zu einem Druck führt, der am nächsten zu einem Solldruck liegt. Dabei kann der Solldruck dem Druck entsprechen, der zur Erreichung eines bestimmten Zustands in einer Druckkammer eines Stellglieds vorliegen soll.
Ein digitalhydraulischer Regler, der gemäß dem voranstehend geschilderten Steuerungsverfahren betrieben wird, kann in einem Hydrauliksystem für eine Maschine mit einem hydraulischen Stellglied eingesetzt sein. Des Weiteren kann in dem Hydrauliksystem ein Hochdruckspeicher zur Bevorratung eines hydraulischen Arbeitsfluids unter Druck sowie eine Pumpe, um das Arbeitsfluid mit hohem Druck in den Hochdruckspeicher einzuspeisen und diesen aufzuladen, vorgesehen sein.
Weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, die zusammen mit den Figuren zu berücksichtigen ist.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein Hydrauliksystem für eine Maschine an dem das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung angewendet werden kann;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Aufbaus von digitalen Strömungssteuerungseinheiten eines digitalhydraulischen Reglers;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, einen aktuell erforderlichen Durchfluss auszuwählen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Reduzierung von auszuwählenden Durchflüssen gemäß dem Stand der Technik.
Ein Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers gemäß der Ausführungsform kann an einem Hydrauliksystem gemäß Fig. 1 ausgeführt werden, das bereits in der Beschreibungseinleitung behandelt wurde. Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung der einzelnen digitalen Strömungssteuerungseinheiten (DFCU) bzw. Ventilbänke A-T, P-A, P-B, B-T, die jeweils fünf Ventile aufweisen. Bei den Ventilen handelt es sich um Solenoidventile . Den Ventilen ist eine Drossel nachgeschaltet, wodurch unterschiedliche Durchflussstärken der einzelnen Ventile erreicht werden.
In Fig. 2 sind die Ventilbänke des digitalhydraulischen Reglers 2 dargestellt, der dem Stellglied 1 zugeordnet ist. Dabei werden die Ventilbänke P-A und B-T für eine Zustellbewegung kombiniert, während die Ventilbänke P-B und A-T für eine Zurückstellbewegung kombiniert werden.
Obwohl dieser in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellt ist, ist zwischen der Pumpe und den Ventilbänken ein Druckspeicher vorgesehen, der nach Bedarf über die Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird, damit jederzeit ein Mindest-Hydraulikdruck verfügbar ist. Dabei kann der Druckspeicher mit dem Hydraulikfluid aus dem Tank T gespeist werden.
In den folgenden Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens eines digitalhydraulischen Reglers wird eine Zurückstellbewegung am Beispiel des digitalhydraulischen Reglers behandelt. Dabei wird das Hydraulikfluid von der Pumpe bzw. dem Druckspeicher über die Ventilbank P-B in die Kammer B des Stellglieds 1 geleitet, während das Hydraulikfluid aus der Kammer A des Stellglieds 1 über die Ventilbank A-t in den Tank geleitet wird.
Fig. 3 zeigt ein Koordinatensystem, das einen Teil der möglichen Ventilschaltkombinationen der Ventilbänke P-B und A-T darstellt. In Klammern ist die unter bestimmten Betriebszuständen mögliche Umkehr der Strömungsrichtung (B- P und T-A) angezeigt. Dabei entspricht jeder Punkt in dem Koordinatensystem einem möglichen Durchfluss der durch eine Ventilschaltkombination der Ventilbänke P-B und A-T herbeigeführt wird. Da die Ventilbänke P-B und A-T jeweils fünf Ventile aufweisen, gibt es in Summe 210 = 1024 mögliche Ventilschaltkombinationen bzw. Durchflüsse.
Um die Zurückstellbewegung durchzuführen, wird ausgehend von einem vorangehend aktuellen Durchfluss Dait mittels einer Penaltyfunktion ein aktuell erforderlicher Durchfluss Dneu ermittelt, dessen Ventilschaltkombination in dem Stellglied für den Druck sorgt, der am nächsten zu dem für die Zurückstellbewegung erforderlichen Solldruck liegt.
Gemäß dem Verfahren der Ausführungsform wird vor der Bestimmung mittels der Penaltyfunktion ein Durchflussfeld in Form eines Quadrats um den vorangehend aktuellen
Durchfluss Dait definiert. Das quadratische Feld weist dabei 7 x 7 = 49 Durchflüsse auf und ist in der Fig. 3 mittels gestrichelten Linien dargestellt.
Aus diesem Grund müssen anstelle der 1024 möglichen
Durchflüsse lediglich 49 Durchflüsse einschließlich des vorangehend aktuellen Durchflusses Dait mittels der Penaltyfunktion überprüft werden. Dies führt zu einer vorteilhaften Reduktion der erforderlichen Rechnerleistung bzw. Rechenzeit von ca. 1/20.
Um den ermittelten aktuell erforderlichen Durchfluss Dneu wird dann im nächsten Schritt ein neues Durchflussfeld definiert, dessen Größe wieder 7 x 7 Durchflüsse beträgt. In der Fig. 3 ist dieses neue Durchflussfeld mit durchgehenden Linien und Schraffur gezeichnet. Danach wird der aktuell erforderliche Durchfluss Dneu als vorangehend aktueller Durchfluss definiert und die Ermittlung des nächsten aktuell erforderlichen Durchflusses erfolgt aus einem der in dem schraffierten Quadrat liegenden Durchflüsse .
In einem Versuch, der von den Erfindern durchgeführt wurde, wurden in einem Hydrauliksystem gemäß dem in Fig. 1 dargestellten, pro Ventilbank sechs Ventile vorgesehen, was zu 212 = 4096 unterschiedlichen Ventilschaltkombinationen führte. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem quadratischen Durchflussfeld von 7 x 7 = 49 Durchflüssen, führte dabei gegenüber dem aus dem Stand der Technik in Fig. 4 dargestellten Verfahren zu einer Verbesserung von 4,29 ms auf 0,23 ms bei der Zustellbewegung und zu einer Verbesserung von 3,065 ms auf 0,41 ms bei der Zurückstellbewegung.
In einem weiteren Versuch wurde das Verfahren ebenfalls bei einer Druckanpassung in einem Zustand durchgeführt, in dem der Zylinder 3 vollständig an den festen Zylinder 7 zugestellt war. Die Druckanpassung ist bei einem Betrieb von z.B. einer Papiermaschine in diesem Zustand erforderlich, um jederzeit die Einhaltung des erforderlichen Abstands und Drucks zwischen den Zylindern sicherzustellen, um einerseits ein hervorragendes Produkt zu erhalten und andererseits Beschädigungen oder ein Versagen der Zylinder zu verhindern.
Bei der Druckanpassung wurde das Durchflussfeld von 126 Punkten gemäß dem Stand der Technik auf 16 Punkte reduziert, wodurch es zu einer Zeitverringerung von 2,1 ms auf 0,31ms kam.
Ein weiterer Vorteil, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht wird, ist, dass es aufgrund der Verringerung der notwendigen Rechnerleistung auf einem handelsüblichen PC anstelle eines speziell konstruierten Forschungs-PC mit übermäßg hoher Rechnerleistung betrieben werden kann.
Somit ist es mittels des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens für einen digitalhydraulischen Regler möglich, die Rechenzeit bzw. die erforderliche Rechenzeit wesentlich zu reduzieren, was einerseits eine schnellere Durchführung der Steuerung ermöglicht und andererseits zu einer wesentlichen Kostenreduktion führt, da handelsübliche Industrierechner eingesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers mit Ventilen, die einzeln und in unterschiedlichen Kombinationen miteinander schaltbar sind, wobei jede dieser Ventilschaltkombinationen einem Durchfluss entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktuell erforderlicher Durchfluss (Dneu) aus einer begrenzten Anzahl von Durchflüssen ausgewählt wird, die kleiner als die Gesamtanzahl der Durchflüsse ist, und die in einem Bereich um den vorangehend aktuellen Durchfluss (Dait) liegen.
2. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 1, wobei die Ventile auf zwei Ventilbänke (A-
T, P-B; P-A, B-T) aufgeteilt sind, und die Durchflüsse in ein zweidimensionales Koordinatensystem übertragen werden, dessen Achsen den Ventilschaltkombinationen bzw. den Durchflüssen der einzelnen Ventilbänke (A-T, P-B; P-A, B-T) entsprechen.
3. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 2, wobei der Bereich, aus dem die Auswahl des aktuell erforderlichen Durchflusses (Dneu) erfolgt, als Durchflussfeld in dem Koordinatensystem definiert ist.
4. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 3, wobei der Mittelpunkt des Durchflussfelds durch den vorangehend aktuellen Durchfluss (Dait) gebildet wird.
5. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Durchflussfeld durch die gleiche Anzahl an Durchflüssen in Richtung der Ordinate und in Richtung der Abszisse definiert ist.
6. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Durchflussfeld eine quadratische Form aufweist.
7. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 6, wobei pro Ventilbank sechs Ventile vorgesehen sind, und das Feld durch 7 x 7 = 49 Durchflüsse oder durch 4 x 4 = 16 Durchflüsse definiert ist.
8. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 5, wobei das Durchflussfeld eine Kreuzform aufweist .
9. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswahl des aktuell erforderlichen Durchflusses (Dneu) aus der begrenzten Anzahl von Durchflüssen bzw. aus dem Durchflussfeld mittels eines mathematischen Algorithmus durchgeführt wird.
10. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach Anspruch 9, wobei als mathematischer Algorithmus eine Penalty-Funktion eingesetzt wird.
11. Steuerungsverfahren eines digitalhydraulischen Reglers nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der aktuell erforderliche Durchfluss (Dneu) zu einem Druck führt, der am nächsten zu einem Solldruck liegt.
12. Hydrauliksystem für eine Maschine mit einem hydraulischen Stellglied, einem Hochdruckspeicher zur Bevorratung eines hydraulischen Arbeitsfluids unter Druck, einer Pumpe, um das Arbeitsfluid mit hohem Druck in den Hochdruckspeicher einzuspeisen und diesen aufzuladen, und einem digitalhydraulischen Druckregler, der dem hydraulischen Stellglied zugeordnet ist und Mittel zur Steuerung nach dem Steuerungsverfahren gemäß den vorangehenden Ansprüchen aufweist.
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