DE102014003084A1 - Digital hydraulic drive system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein digitalhydraulisches Antriebssystem, bestehend aus – einem Aktuator, wie einem hydrostatischen Konstantmotor (10) oder einem Arbeitszylinder mit vorzugsweise angeschlossenen hydropneumatischen Dämpfungsspeichern (12) an beiden zuordenbaren Aktuatoranschlüssen (14, 16) sowie – mindestens einer unabhängig betätigbaren Ventileinrichtung (20) für die Ansteuerung der Volumenströme in den Zu- und/oder Abströmanschlüssen (14, 16) des Aktuators, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine flachheitsbasierte Folgeregelung eingesetzt ist, die die Volumenströme als Stellgröße verwendet, und eine unterlagerte Steuerung zum Einsatz kommt, die von der Konfiguration der Ventileinrichtung (20) abhängt.The invention relates to a digital-hydraulic drive system, comprising an actuator, such as a constant-velocity hydrostatic motor (10) or a working cylinder with preferably connected hydro-pneumatic damping accumulators (12) on both assignable actuator connections (14, 16) and - at least one independently operable valve device (20). for controlling the volume flows in the inlet and / or Abströmanschlüssen (14, 16) of the actuator, which is characterized in that a flatness-based follow-up control is used, which uses the volume flows as a manipulated variable, and a subordinate control is used by the configuration of the valve device (20) depends.
Description
Die Erfindung betrifft ein digitalhydraulisches Antriebssystem, bestehend aus
- – einem Aktuator, wie einem hydrostatischen Konstantmotor oder einem Arbeitszylinder mit vorzugsweise angeschlossenen hydropneumatischen Dämpfungsspeichern an beiden zuordenbaren Aktuatoranschlüssen sowie
- – mindestens einer unabhängig betätigbaren Ventileinrichtung für die Ansteuerung der Volumenströme in den Zu- und/oder Abströmanschlüssen des Aktuators
- - An actuator, such as a constant-flow hydrostatic motor or a working cylinder with preferably connected hydropneumatic damping accumulators on both assignable actuator connections and
- - At least one independently operable valve device for controlling the flow rates in the inlet and / or Abströmanschlüssen the actuator
Obwohl der breite Einsatz von digitalhydraulischen Systemen in der industriellen Anwendung nach wie vor Gegenstand kontroverser Diskussionen (
Fortgeschrittene Regelungsmethoden finden auch in einer weiteren wichtigen Untergruppe der digitalhydraulischen Systeme Anwendung. Linjama et al. verwendeten einen Optimalregelungsansatz für ein System von digital flow control units (DFCU) in
Das Prinzip der „Aufgelösten Steuerkanten” ist ein Konzept, bei dem die Volumenströme an den Anschlüssen eines hydraulischen Aktuators (wie z. B. ein Zylinder oder Motor) unabhängig voneinander eingestellt werden können. Im Vergleich mit konventionellen servohydraulischen Systemen eröffnen sie ein Potential zur Energieeinsparung durch die Reduktion des Gegendrucks. Ein Überblick über dieses Prinzip wird in
Was die Qualität der jeweils eingesetzten Regelung anbelangt, lassen die bekannten Lösungen jedoch noch Wünsche offen und häufig ist für eine zeitnahe Regelung von Aktuatorsystemen der rechentechnisch benötigte Aufwand zu hoch.As far as the quality of the respectively used control is concerned, however, the known solutions still leave something to be desired, and frequently the expenditure required for computation is too high for a timely control of actuator systems.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen unter Beibehalten ihrer Vorteile eine funktionssichere Regelung für ein digitalhydraulisches Antriebssystem zu schaffen, dahingehend weiter zu verbessern, dass eine hohe Regelungsqualität erreicht ist bei geringem rechentechnischen Aufwand, so dass auch insoweit die Kosten der angestrebten Regelung reduziert sind.Based on this prior art, the present invention seeks to provide the known solutions while maintaining their advantages a functionally reliable control for a digital hydraulic drive system, to further improve to the effect that a high control quality is achieved with low computational complexity, so that extent the costs of the desired scheme are reduced.
Eine dahingehende Aufgabe löst ein digitalhydraulisches Antriebssystem gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.This object is achieved by a digital hydraulic drive system according to the feature configuration of claim 1 in its entirety.
Dadurch dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 eine flachheitsbasierte Folgeregelung eingesetzt ist, die die Volumenströme als Stellgröße verwendet, und eine unterlagerte Steuerung zum Einsatz kommt, die von der Konfiguration der Ventileinrichtung abhängt, ist ein Regelungsverfahren geschaffen, das sich insbesondere zur Verwendung unter Einsatz von Schnellschaltventilen (Pulsweitenmodulation) und/oder Parallelventilen (digital flow control unit) eignet.Characterized in that according to the characterizing part of claim 1, a flatness-based sequence control is used, which uses the volume flows as a manipulated variable, and a subordinate control is used, which depends on the configuration of the valve device, a control method is provided which is particularly for use under use of quick-change valves (pulse width modulation) and / or parallel valves (digital flow control unit).
Gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung wird der dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante inhärente zusätzliche Freiheitsgrad dazu verwendet, den Druckabfall am jeweiligen Ventil oder einer Ventilgruppe im Rückstrom zu steuern und damit Kavitation sowie ein Entleeren der Speicher zu verhindern. Weitere Kriterien für die Verwendung dieses zusätzlichen Freiheitsgrads sind bei Bindel et al. (
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele des digitalhydraulischen Antriebssystems sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird innerhalb des Reglerentwurfs eine beobachtergestützte Lastabschätzung für den jeweils eingesetzten Aktuator durchgeführt.Further advantageous embodiments of the digital hydraulic drive system are the subject of the dependent claims. In a particularly preferred embodiment of the solution according to the invention, an observer-based load estimation for the respective actuator used is carried out within the controller design.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung dieIn the following, the solution according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing. This show in principle and not to scale representation of the
Das betrachtete digitalhydraulische Antriebssystem besteht aus einem hydrostatischen Konstantmotor
In der
Zunächst soll das Aktuatormodell prinzipiell vorgestellt werden.First, the actuator model will be presented in principle.
Der hydrostatische Motor
Die Bilanzierung der Volumenströme an den Motoranschlüssen
Die Volumenströme, die in die Dämpfungsspeicher
Folglich lässt sich das Gesamtmodell des Antriebs (
Die Ventileinheiten
Der Versorgungsdruck und der Tankdruck werden jeweils mit ps und pt bezeichnet. Die Druck-Volumenstromcharakteristik der DFCUs werden durch den Koeffizienten KDFCU repräsentiert. Die Schaltindizes σi,s,σi,t ∊ {0, 1, 2, ..., 2m – 1} bestimmen den Schaltzustand der m-bit DFCUs.The supply pressure and the tank pressure are respectively denoted by p s and p t . The pressure-volume flow characteristics of the DFCUs are represented by the coefficient K DFCU . The shift indices σ i, s , σ i, t ∈ {0, 1, 2,..., 2 m -1} determine the switching state of the m-bit DFCUs.
Die Vollbrücke mit PWM-gesteuerten Ventilen
In diesem Fall bezeichnen κi,s und κi,t den Tastgrad der jeweils mit der Druck- oder Fluid-Versorgung und Tank verbundenen Ventile
Um Kurzschlussströme zu vermeiden, ist jeweils immer nur ein Volumenstrompfad in jedem Brückenzweig aktiv. Eine Unterscheidung basierend auf dem Vorzeichen des angeforderten Volumenstroms qi liefern die Steuerungsgleichungen und In order to avoid short-circuit currents, only one volumetric current path is active in each bridge branch. A distinction based on the sign of the requested volume flow q i is provided by the control equations and
Das vorstehend vorgestellte Modell des Antriebs stellt ein nichtlineares Mehrgrößensystem dar. Die Regelung solcher Systeme übersteigt oftmals die Möglichkeiten einfacher PID-Regler. Dies gilt insbesondere für die Folgeregelung. Die so gennante differentielle Flachheit ist eine Systemeigenschaft, die nicht nur den Reglerentwurf sondern auch die Analyse und die Dimensionierung eines Systems sowie die Planung geeigneter Referenztrajektorien erleichtert.The drive model presented above is a non-linear multi-variable system. The control of such systems often exceeds the capabilities of simple PID controllers. This applies in particular to the follow-up regulation. The so-called differential flatness is a system feature that facilitates not only the design of the controller but also the analysis and sizing of a system as well as the planning of suitable reference trajectories.
Die Eigenschaft der differentiellen Flachheit bedingt die Existenz eines sogenannten Flachen Ausgangs. Dieser (virtuelle) Ausgang ist im Allgemeinen eine Funktion der Systemgrößen und ihrer Zeitableitungen. Eine zentrale Eigenschaft der Flachheit ist, dass die Trajektorien aller Sytemgrößen einschließlich der Stellgrößen durch die Trajektorien des flachen Ausgangs eindeutig bestimmt sind, während diese wiederum frei vorgegeben werden können. Dies impliziert, dass das gewünschte Systemverhalten in Form von Trajektorien für die Komponenten eines flachen Ausgangs vorgegeben werden kann. Die resultierende Regelungsaufgabe beschränkt sich dann darauf, die Trajektorienfolge des flachen Ausgangs sicherzustellen, was wiederum dadurch erleichtert wird, dass sich die Stellgrößen unmittelbar aus den Komponenten des flachen Ausgangs berechnen lassen.The property of differential flatness implies the existence of a so-called flat output. This (virtual) output is generally a function of system sizes and their time derivatives. A central feature of the flatness is that the trajectories of all system quantities, including the manipulated variables, are uniquely determined by the trajectories of the flat output, while these can in turn be freely specified. This implies that the desired system behavior can be given in the form of trajectories for the components of a flat output. The resulting control task is then limited to ensuring the trajectory sequence of the flat output, which in turn is facilitated by the fact that the manipulated variables can be calculated directly from the components of the flat output.
Das betrachtete Modell des Antriebs weist die Eigenschaft der differentiellen Flachheit auf. Ein flacher Ausgang y besteht aus der Winkelgeschwindigkeit y1 = ω und dem Summendruck y2 = p1 + p2 an den Motoranschlüssen
Es sei angemerkt, dass die Flachheitseigenschaft auch erhalten bleibt, wenn die Ventilmodelle nach den Formeln (7) und (8) berücksichtigt werden, da die Stellgrößen σi,s/t und κi,s/t direkt aus den Volumenströmen qi und den Drücken pi berechnet werden, welche wiederum mittels Formel (11) aus dem flachen Ausgang y berechnet werden können. Zur Wahrung der Flexibilität und der Übersichtlichkeit wird der Reglerentwurf dennoch auf der Basis des Aktuatormodells nach Formel (6) durchgeführt. Die Flachheitseigenschaft beschränkt sich nicht exklusiv auf digitalhydraulische Antriebe, sondern lässt sich auf alle Systeme übertragen, die die Struktur (6) aufweisen. Dies gilt auch für hydraulische Linearantriebe wie z. B. Differentialzylinder, sofern die erste Komponente des flachen Ausgangs y durch die Zylinderposition ersetzt wird.It should be noted that the flatness property is also retained when the valve models according to the formulas (7) and (8) are taken into account, since the manipulated variables σ i, s / t and κ i, s / t directly from the volume flows q i and the pressures p i are calculated, which in turn can be calculated from the flat output y by means of formula (11). To maintain the flexibility and the clarity of the controller design is still performed on the basis of the actuator model according to formula (6). The flatness property is not limited exclusively to digital hydraulic drives, but can be transferred to all systems having the structure (6). This also applies to hydraulic linear drives such. B. differential cylinder, provided that the first component of the flat output y is replaced by the cylinder position.
Im Folgenden wird ohne Beschränkung allgemeiner Grundsätze davon ausgegangen, dass keine Leckage am Motor
Im Folgenden wird die Flachheitsbasierte Folgeregelung näher erläutert. Dabei beruht der Entwurf der Flachheitsbasierten Folgeregelung auf drei Schritten. Zunächst müssen geeignete Referenztrajektorien für den flachen Ausgang y festgelegt werden. Anschließend werden die Regelgesetze für die Folgeregelung ermittelt. Schließlich werden die vom Folgeregler berechneten Sollvolumenströme als Eingang für die Ventilsteuerung verwendet. Die dahingehende Ventilsteuerung ist als Funktionsblock in der
Ein wesentlicher Vorteil des flachheitsbasierten Entwurfs ist, dass eine Unterscheidung verschiedener Betriebsmodi und das Umschalten zwischen diesen nicht notwendig ist. Da die Sollvolumenströme analytisch aus den Referenztrajektorien und den gemessenen Größen berechnet werden können, ist die einzige notwendige Unterscheidung jene des Vorzeichens dieser Sollvolumenströme, wie bereits in den Stellgesetzen (9) und (10) dargelegt. Im Vollbrückensytem nach der
Im Folgenden wird der Einsatz der Referenztrajektorien näher beschrieben. Der erste Schritt beim Entwurf einer Folgeregelung ist die Vorgabe des gewünschten Systemverhaltens in Form von Referenztrajektorien für den flachen Ausgang y. Abgesehen von Einschränkungen technologischer Natur, wie z. B. Stellgrößenbeschränkungen, können diese Trajektorien frei und definitionsgemäß unabhängig voneinander vorgegeben werden. Wie am vorliegenden Beispiel demonstriert wird, mag es dennoch Vorteile mit sich bringen, eine künstliche Abhängigkeit dieser Trajektorien einzuführen. The use of the reference trajectories will be described in more detail below. The first step in the design of a sequence control is the specification of the desired system behavior in the form of reference trajectories for the flat output y. Apart from limitations of a technological nature, such. As manipulated variable restrictions, these trajectories can be specified freely and by definition independently. As demonstrated by the present example, it may nevertheless be advantageous to introduce an artificial dependence of these trajectories.
Die Trajektorie für die erste Komponente des flachen Ausgangs y, in Form der Winkelgeschwindigkeit ω, ergibt sich unmittelbar aus der Steuerungsaufgabe. Ein Arbeitspunktwechsel von ω0 zu ωf in der Übergangszeit tf ließe sich beispielsweise durch eine polynomiale Referenztrajektorie der Form realisieren. Schließlich bleibt mit der Festlegung der Trajektorie des Summendrucks ein zweiter Freiheitsgrad. Durch die Wahl werden die Trajektorien der Drücke durch pmin, nach unten beschränkt während gleichzeitig die benötigte Antriebsdruckdifferenz p1 – p2 bereitgestellt wird, d. h. die Gleichung (6a) wird durch die Referenztrajektorien erfüllt. Folglich kann die Schranke pmin für den Druck dazu verwendet werden, Kavitation (insbesondere bei Lastwechseln) oder auch den Abfall des Speicherdrucks unter den Vorspanndruck p0 zu verhindern. Darüberhinaus entspricht die Referenz des niedrigeren der beiden Drücke p1(t) und p2(t) jederzeit pmin. Folglich können durch einen geeigneten Kompromiss zwischen Druckabfall und Vorspanndruck die Drosselverluste verringert werden.The trajectory for the first component of the flat output y, in the form of the angular velocity ω, results directly from the control task. An operating point change from ω 0 to ω f in the transition time t f could be, for example, a polynomial reference trajectory of the form realize. Finally, with the determination of the trajectory of the total pressure remains a second degree of freedom. By choice become the trajectories of the pressures limited by p min , while at the same time the required driving pressure difference p 1 - p 2 is provided, ie the equation (6a) is satisfied by the reference trajectories. Consequently, the barrier p min can be used for the pressure to prevent cavitation (especially during load changes) or also the drop of the accumulator pressure below the prestressing pressure p 0 . In addition, the reference of the lower of the two pressures p 1 (t) and p 2 (t) at any time p min . Consequently, by a suitable compromise between pressure drop and bias pressure, the throttle losses can be reduced.
Im nächsten Schritt werden die einzelnen Regelgesetze für die Folgeregelung hergeleitet. Ziel dabei ist es, dass die Folgefehler e1 = y1 – y1,r und e2 = y2 – y2,r asymptotisch gegen Null konvergieren. Dazu wird eine lineare Fehlerdynamik zugewiesen, mit Ki,j > 0 und k1,0 < k1,2k1,1. Diese Aufgabe umfasst zwei Schritte: Zunächst wird das System durch eine statische Rückführung exakt linearisiert. Dieser Schritt profitiert erneut von der Flachheitseigenschaft insofern, dass es immer möglich ist, ein flaches System durch eine quasi-statische Rückführung exakt zu linearisieren (vgl.
Eine Zustandsdarstellung des Systems (6) bzgl. des Eingangs (q1, q2) lautet mit dem Zustand x = (x1, x2, x3)T = (y1, ẏ1, y2)T und A state representation of the system (6) with respect to the input (q 1 , q 2 ) reads with the state x = (x 1 , x 2 , x 3 ) T = (y 1 , ẏ 1 , y 2 ) T and
Die Rückführung linearisiert das System (17) bzgl. des neuen (virtuellen) Eingangs v = (v1, v2):
Schließlich führt die Anwendung der Regelgesetze auf die Fehlerdynamik. In Summe wird der Folgeregler durch die Gleichungen (19) und (21) beschrieben (vgl.
Zusätzlich kann ein Beobachter
Der Reglerentwurf aus dem voranstehenden Abschnitt beruht auf der Kenntnis des Lastmoments τ. Eine solche Kenntnis kann entweder auf einer Messung oder einer sehr genauen Kenntnis des zugrunde liegenden Prozesses beruhen. Falls diese Bedingungen jedoch nicht zutreffen, kann eine beobachtergestützte Lastschätzung verwendet werden. The controller design from the previous section is based on the knowledge of the load torque τ. Such knowledge can be based either on a measurement or a very accurate knowledge of the underlying process. However, if these conditions are not met, an observer-based load estimate can be used.
Sofern nur die Drücke p1 und p2 gemessen werden, kann ein Beobachter der Form dazu verwendet werden, sowohl die Winkelgeschwindigkeit ω als auch das Lastmoment τ zu schätzen. Im Folgenden werden die geschätzten Größen durch ein „Dach” und Schätzfehler durch eine „Tilde” gekennzeichnet (e. g. ω ~ = ω – ω ^). Zwar bringt die Verwendung der Speichervolumina V1 und V2 als Zustandsvariablen die nichtlineare Aufschaltung der Schätzfehler basierend auf den Druckmessungen mit sich, allerdings führt sie auf eine lineare Schätzfehlerdynamik If only the pressures p 1 and p 2 are measured, an observer of the form be used to estimate both the angular velocity ω and the load torque τ. In the following, the estimated quantities are indicated by a "roof" and estimation errors by a "tilde" (eg ω ~ = ω - ω ^). Although the use of the storage volumes V 1 and V 2 as state variables brings the non-linear connection of the estimation errors based on the pressure measurements, but it leads to a linear estimation error dynamics
Diese Fehlerdynamik kann für q ~1, q ~2 = 0 durch die Wahl geeigneter Beobachterverstärkungen Ii,j leicht asymptotisch stabil gestaltet werden. Falls die Volumenströme q1 und q2 nicht exakt bekannt sind, was in der Anwendung häufig der Fall ist, wird die Fehlerdynamik nicht-autonom mit den Fehlern q ~1 und q ~2 als Anregung durchgeführt. Dies beeinträchtigt die Verwendbarkeit des Schätzers, speziell im Fall digitalhydraulischer Systeme, bei denen die Abweichungen durch die Umschaltvorgänge der Ventile
Zwei Varianten des betrachteten digitalhydraulischen Systems wurden mit dem Simulationsprogramm AMESim simuliert, um die vorgeschlagene Folgeregelung zu illustrieren. Im ersten Fall wird eine Vollbrücke mit 6 Bit-DFCUs (
Die Referenztrajektorie der Winkelgeschwindigkeit ω umfasst drei Arbeitspunktwechsel. Zunächst wird der Motor
Es ist ferner zu sehen, dass das System der Referenztrajektorie der Winkelgeschwindigkeit sehr gut folgen kann. In der Detailansicht sind kleinere Oszillationen zu erkennen, die durch die nicht-idealen Umschaltvorgänge der Ventile
Der Einfluss des Lastschätzers wird durch
Die vorgestellte Erfindung betrifft eine flachheitsbasierte Folgeregelung für einen digitalhydraulischen Antrieb, basierend auf dem Prinzip der aufgelösten Steuerkante. Die vorgestellten Regelungsstrategien vermeiden die Unterscheidung von Betriebsmodi und daraus resultierendem Umschalten zwischen solchen Modi. Der zusätzliche Freiheitsgrad, der mit der zweiten Stellgröße einhergeht, wird dazu verwendet, den Minimaldruck an den Motoranschlüssen
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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