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Regeleinrichtung zur Grenzlastregelung eines Hydrostatikantriebes
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für ein System, bei dem die Zeitkonstanten
auftretender Störgrößen erheblich kleiner als die des Regelkreises sind, insbesondere
zur Grenzlastregelung eines Hydrostatikantriebes mit einem Dieselmotor und einem
oder mehreren Antrieben, die intermittierend belastbar sind und von denen mindestens
einer in seiner Leistungsaufnahme regelbar ist, wobei der Geber für die Regelgröße
von der Einspritzpumpe des Dieselmotors, insbesondere dessen Reglerstange, gesteuert
wird.
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Eine solche Grenzlastregelung in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße
der Einspritzpumpe ist deshalb von Vorteil, weil unabhängig von der Drehzahl des
Dieselmotors das Moment des Dieselmotors optimiert wird. Bei der bekannten Regeleinrichtung
ist der Geber als ein mechanisch mit der Regelstange der Einspritzpumpe des Dieselmotors
gekuppeltes Ventil ausgebildet. Eine derartige Regelung mittels Ventil erfordert
einen Stellweg, weswegen der Proportionalbereich der Regelung erhöht und damit die
Anpaßfähigkeit der Regelung verschlechtert wird. Diese Regelung bietet keine Möglichkeit,
die übertragungsparameter an das Verhalten der Regelstrecke
anzupassen.
Außerdem beeinflußt die für die Verstellung des Ventils benötigte Stellkraft das
übertragungsverhalten der Einspritzpumpe und des Fliehkraftreglers erheblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichinsbesondere
. ~ . ..
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tun'zur urenzlastregelung eines aydrostat1Rantr1eDes zu schaffen,
die das übertragungsverhalten des Signalgebers an das Verhalten der Regelstrecke
anpaßt (optimale Ausregelung von Störgrößen, optimale Dämpfung). Der erforderliche
Stellweg soll praktisch gleich Null sein (kein Proportionalbereich, praktisch keine
Regelabweichung, optimale Leistungsanpassung). Ferner soll die zur Uberbagung der
Regelgröße erforderliche Stellkraft praktisch gleich Null sein (keine Systembeeinflussung).
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Regeleinrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuerung des oder der regelbaren
Abtriebe über ein vom Geber beaufschlagtesSystem von derart miteinander gekoppelten
Zeitgliedern unterschiedlicher Zeitkonstante erfolgt, daß bei einer kurzzeitigen
Belastungsänderung eine große Zeitkonstante und bei einer längeren Belastungsänderung
eine kleinere Zeitkonstante wirksam werden.
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Diese Regeleinrichtung gewährleistet z.B., daß im Wirkungsbereich
des Fliehkraftreglers des Dieselmotors bei nur kurzzeitigen Belastungsänderungen
die Regelung der Last der Abtriebe langsam erfolgt, während bei länger andauernder
Belastungsänderung, insbesondere in dem Bereich, in dem der Fliehkraftregler nicht
mehrRirksam werden kann und die Gefahr besteht, daß der Dieselmotor abgewürgt wird,
die Regelung der Leistungsanpassung der Abtriebe schnell erfolgt. Die Regelung gewährleistet
damit ein Optimum an Genauigkeit und Schwingungsstabilität.
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Das System von Zeit gliedern unterschiedlicher Zeitkonstante besteht
vorzugsweise~ aus in Kettenschaltung angeordneten RC-Gliedern, wobei an den Ladewiderständen
Überholdioden, insbesondere Zenerdioden, angeschlossen sind. Durch die Dimensionierung
der RC-Glieder und der Überholdioden kann jeder gewünschte Kurvenverlauf für das
übertragungsverhalten desSignalgebers erhalten werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Geschwindigkeit
der Belastungsänderung bei der Regelung dadurch berücksichtigt, daß der Geber mit
dem System der Zeitglieder über einen Differentialverstärker mit Rückführung gekoppelt
ist. Die Rückführung kann dabei aus einem RC-Glied bestehen, das mit dem Gebersignal
beaufschlagt ist. Als Geber, der praktisch keine Stellkraft erfordert, eignet sich
besonders ein Näherungsinitiator.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 ein Kennfeld
eines Dieselmotors mit Beeinflussung der Einspritzpumpe durch Fliehkraftregler und
durch das Fahrpedal für verschiedene Fahrpedalstellungen, Fig. 2 eine Schaltung
zur Erzeugung und Umformung einer Regelgröße in einer Regeleinrichtung zur Grenzlastregelung
und Fig. 3a) den Signalverlauf des Näherungsinitiators in Abhängigkeit vom Weg,
b) den- Signalverlauf des mit. dem Signal des Gebers gemäß Fig. 3 a) angesteuerten
Differentialverstärkers und
c) das Ausgangssignal des mit den Rechtecksignalen
gemäß Fig. 3 b) angesteuerten Systems aus Zeitgliedern.
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Das in Fig. 1 gezeigte Kennlinienfeld zeigt die Kennlinien eines Dieselmotors
in Abhängigkeit von der Drehzahl für fünf verschiedene Fahrpedalstellungen I bis
V. Für die Stellung der Reglerstange der Einspritzpumpe sind in dem Kennlinienfeld
außerdem eine gestrichelte Linie für die maximale Einspritzmenge und eine strichpunktierte
Linie für eine geringere Einspritzmenge eingetragen. Die jeweils optimale Stellung
der Reglerstange wird durch einen Fliehkraftregler des Dieselmotors bestimmt. Wirksam
werden kann der Fliehkraftregler daher nur im Bereich unterhalb der gestrichelten
Kurve. Diese gestrichelte Kurve liegt unterhalb der oberen Momentkurve, um die Ansprechzeit
der Regelung mittels des Fliehkraftreglers derart zu berücksichtigen, daß der Motor
nicht bis über den Knickpunkt der einzelnen Kurven belastet und damit abgewürgt
wird. In welchem Punkt der stark abfallenden Kurve für die einzelnen Pedalstellungen
der Dieselmotor arbeitet, hängt von der ihm durch die Abtriebe abverlangten Leistung
ab. Solange der Leistungsbedarf sich nicht ändert, ist die Einstellung eines optimalen
Arbeitspunktes durch die Fahrpedalstellung im Zusammenwirken mit dem Fliehkraftregler
unproblematisch.
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Sofern aber die von den Abtrieben dem Motor abverlangte Leistung stark
und schnell schwankt, was z.B. bei mehreren voneinander unabhängigen Antrieben eines
Baufahrzeuges (Fahrantrieb, Lenkantrieb, Hubantrieb usw.) der Fall ist, ist es nicht
mehr nur mit dem Fahrpedal und einem Regler für die Einspritzpumpe möglich, den
Dieselmotor im Leistungsoptimum zu betreiben, und es besteht sogar die Gefahr, daß
bei starken Belastungsänderungen der Dieselmotor abgewürgt wird. Um aber auch unter
Berücksichtigung dieser schwierigeren Betriebsbedingungen den Dieselmotor möglichst
im Leistungsoptimum zu betreiben und die Gefahr des Abwürgens z-u'vermindern, hat
man die Grenzlastregelung vorgesehen, die abtriebsseitig in den Leistungsbedarf
eingreift.
Die Grenzlastregelung beeinflußt insbesondere von mehreren Antrieben die in der
Leistungsaufnahme regelbaren Abtriebe. Tritt z.B. bei einem Baufahrzeug eine Belastung
eines nicht regelbaren Abtriebes zusätzlich auf, dann werden durch die Grenzlastregelung
der oder die regelbaren Abtriebe in ihrer Leistungsaufnahme derart vermindert, daß
das die von dem Dieselmotor bei einer bestimmten Fahrpedalstellung mögliche maximale
Leistungsabgabe nicht überschritten wird. Mit diesem Problemkreis beschäftigt sich
die vorliegende Erfindung und zeigt in Fig. 2 eine Schalteinrichtung, mit der Belastungsänderungen
sowohl zeit- als auch geschwindigkeitsabhängig berücksichtigt werden.
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Die Schalteinrichtung gemäß Fig. 2 besteht aus einem Näherungsinitiator
1, einem nachgeschalteten Differentialverstärker 2 mit einem nachgeschalteten nicht
dargestellten Kippverstärker und einem System 3 aus Zeit gliedern.
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Der Näherungsinitiator 1 weist ein mit der Reglerstange der Einspritzpumpe
des Dieselmotors bewegliches Joch 4 für einen Elektromagneten 5 auf, der ortsfest
gegenüber der Reglerstange angeordnet ist. Dem Elektromagneten 5 ist ein Schwingkreis
7 nachgeschaltet. Dieser Näherungsinitiator 1 erzeugt ein der Bewegung der Reglerstange
proportionales Signal, wie es in Fig. 3a dargestellt ist. Dieses Signal wird: auf
den Eingang A des Differentialverstärkers 7 gegeben, der es zu einem Rechtecksignal
gemäß Fig. 3b umformt. Das Signal des Näherungsinitiators wird außerdem über ein
RC-Glied 8,9 differenziert und einem zweiten Eingang B des Differentialverstärkers
7 zugeführt. Diese Rückführung des dem Eingang A zugeführten Signals über den Eingang
B führt dazu, daß der Differentialverstärker 7 nicht nur in Abhängigkeit von dem
absoluten Wert des Ausgangssignals des Näherungsinitiators 1 sondern auch in Abhängigkeit
von der Anderungsgeschwindigkeit dieses Signals sein rechteckförmiges Ausgangssignal
erzeugt.
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Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 2 gelangt dann zu dem
Eingang des aus zwei in Kettenschaltung miteinander gekoppelten RC-Gliedern 10,
11, 12, 13 bestehenden Systems 3.
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Der Widerstand 12 der zweiten RC-Kombination 12, 13 ist durch
eine
Zenerdiode 14 überbrückt. Wird auf den Eingang dieses Systems 3 eine Rechteckimpulsfolge
gem. Fig. 3b gegeben, dann entsteht am Ausgang D der in Fig. 3b dargestellte Kurvenverlauf.
Dieser Kurvenverlauf ergibt sich daraus, daß in den Zeitabschnitten T1, T3,, wegen
der sperrenden Zenerdiode 14 der Kondensator 13 nur langsam aufgeladen wird. Erst
wenn das Spannungsgefälle über den Widerstand 12 wegen des am KondensaDr 11 schneller
als am Kondensator 13 ansteigenden Spannungspotentials die Zenerspannung übersteigt,
wird der Widerstand 12 durch die Zenerdiode 14 überbrückt, so daß im Zeitabschnitt
T3" der Kondensator 13 schneller aufgeladen wird.
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Unter Bezugnahme auf das Kennlinienfeld der Fig. 1 arbeitet die erfindungsgemäße
Schaltung auf folgende Weise: Es sei angenommen, daß bei der Fahrpedalstellung IV
der Fliehkraftregler die Reglerstange der Einspritzpumpe auf den Arbeitspunkt A1
einstellt. Sofern der Leistungsbedarf der Abtriebe schwankt, macht sich dies in
einer Drehzahlveränderung des Antriebsmotors bemerkbar. Der Fliehkraftregler versucht
durch Verstellung der Reglerstange die Motorleistung an den geänderten Bedarf anzupassen,
d.h. er erhöht die Einspritzmenge je Umdrehung des Motors so, daß die Drehzahl des
Dieselmotors nahezu konstant bleibt (Parameterlinie IV). Mit der Verstellung der
Reglerstange wird nun aber auch das Joch 4 des Näherungsinitiators 1 verstellt.
Sofern die Reglerstange um den Arbeitspunkt A1 herauf und herunter verstellt wird,
erzeugt der Näherungsinitiator die in Fig. 1 dargestellte Kurve, die im Zeitabschnitt
TAT eine nur kurze Zeit dauernde Verstellung der Reglerstange und im Zeitabschnitt
TA" eine länger andauernde Verstellung der Reglerstange zeigt. Diese beiden Kurvenabschnitte
TA, und TA" werden durch den Differentialverstärker 7 mit dem nachgeschalteten,
in der Zeichnung nicht dargestellten Verstärker in die beiden Rechteckimpulse der
Fig. 3b umgewandelt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, eilt die Ausgangsspannung UC dem
Mittelwert der eigentlichen Schaltspannung UA am Eingang A des Differentialverstärkers
7 vor Diese Voreilung wird durch die aus dem RC-Glied 8, 9 bestehende Rückführung
erreicht. Statt dieser internen Rückführung kann auch eine
andere
Rückführung eines Signals am Eingang B erfolgen, um eine Voreilung der Ausgangsspannung
UC zu erreichen oder um Verzögerungen in der Schaltung wieder auszugleichen. Mit
der Rückführung läßt sich also das mit einer positiven Schalthysterese behaftete
Schaltsignal in ein Signal ohne Hysterese, ja sogar in ein Signal mit negativer
Hysterese (Verlauf der Hysteresekurve im Uhrzeigersinn) erreichen. Für die Grenzlastregelung
bedeutet das, daß bei plötzlichen'Belastungsstößen die Regelung sehr schnell eingreift,
während sie bei langsamen Leistungsänderungen eine Verstellung der Abtriebe nur
langsam vornimmt. Die Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Belastungsänderung
gewährleistet eine stabile Regelung, bei der es zu keinem Abwürgen des Dieselmotors
kommen kann.
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Würde man mit diesem Rechtecksignal unmittelbar die an den Abtrieben
abgebbare Leistung regeln, dann würde dies in der Regelung zu Schwingungen und damit
zu Ungenauigkeit führen.
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Um bei der Regelung nicht nur die Geschwindigkeit der Änderung der
Regelgröße sondern auch die Änderung der Regelgröße über die Zeit zur Erzielung
einer besseren Genauigkeit und Schwingungsstabilität zu berücksichtigen, werden
die Rechteckimpulse in dem System aus den Zeitglieder unterschiedlicher Zeitkonstante
in die Kurve Form 3c umgewandelt. Solange nur kurzzeitige Belastungsschwankungen
um den Arbeitspunkt A1 auftreten, ist der Verlauf des Ausgangssignals UD flach.
Erst wenn die änderung der Belastung in einer bestimmten Richtung länger als die
Zeit T1 = T3, andauert, wird das Ausgangssignal UD schneller geändert, wodurch verhindert
wird, daß sich der Arbeitspunkt A1 über den Knickpunkt hinaus verschiebt und der
Motor abgewürgt wird. Der Kurvenabschnitt T3" ist also für die Dynamik der Regelung
maßgebend, während die Kurvenabschnitte in den Zeitabschnitte , T2, T3, für die
Genauigkeit und Schwingungsstabilität- verantwortlich sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lassen sich also stabile
Regelkreise höchster Genauigkeit zur Regelung von trägen Regelstrecken mit sprunghaften
Störgrößeneinflüssen erstellen, die einerseits hohe Stellgeschwindigkeiten und andererseits
geringe Überschwingweiten aufweisen.
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Aus diesem Grunde ist diese Regelung insbesondere für hydrostatische
Antriebe mit mehreren Abtrieben geeignet, bei denen ein Teil der Abtriebe regelbar
ist. Es ist allerdings auch denkbar, daß dieRegelung auf anderen technischen Gebieten
eingesetzt wird, wo ähnliche Probleme auftreten.
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Ansprüche