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调节装置和操作调节装置的方法

阅读：910发布：2020-05-20

专利汇可以提供调节装置和操作调节装置的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及调节装置，优选作为液压回路的部件，具体用于调节流体携带单元或用流体驱动的单元，如可调整流体泵，其分别与至少一个致动器配合，并可至少由一个控制器按照预先可定义的主导参数(pd)控制，所述控制器至少经反馈部分检测输出变量(α，p1)。至少一个反馈包括至少一个监视器(估计器)，其估计输出变量(状态x)，该变量对于可分配控制器至少部分是未知的，实现调节装置的功能，其中控制器包括线性或非线性监视器用于估计未知负载。所述调节装置连续监视负载，(负载体积流量)，而无论调节类型(容积和/或压力调节)及其实施(模拟或离散形式)，以便动态精确的(无尖峰)调节操作。，下面是调节装置和操作调节装置的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种调节装置，优选作为液压回路的部件，尤其用于调节分别与至少一个致动器协同作用的流体输送装置或可借助于流体驱动的装置、如可调节的流体泵，其中所述致动器可由至少一个调节器根据可定义的主导参数(pd)控制，所述调节器经至少一个反馈采集被控系统的至少部分输出量(α，p1)，其特征在于，至少一个反馈具有至少一个监视器(估计器)，所述监视器(估计器)为可分配的调节器估计至少部分未知的输出量(状态x)。
2.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，可通过各监视器采集的被控系统的输出量(α，p1)形成状态x，所述状态可以作为至少部分描述系统状态的矢量信号被馈送到监视器。
3.如权利要求2所述的调节装置，其特征在于，各矢量信号包括至少一个流体泵回转角(α)和/或与流体泵相连的负载的相应压力值(p1)。
4.如权利要求1到3中任一项所述的调节装置，其特征在于，各矢量信号可馈送到监视器，且作为整体或者矢量信号的至少一个或多个分量，被用作可分配的调节器的输入变量。
5.如权利要求3或4所述的调节装置，其特征在于，所述调节装置被设计用于压力调节的或体积流量调节的操作。
6.如权利要求1到5中任一项所述的调节装置，其特征在于，监视器输出端的估计值()作为可分配调节器的输入值对应于与相应负载相关的负载体积流量，所述负载体积流量可作为流体泵的调节路径的函数来评估。
7.如权利要求6所述的调节装置，其特征在于，各调节器通过可检测的或已知的负载体积流量进行干扰作用补偿。
8.如权利要求1到7中任一项所述的调节装置，其特征在于，各调节器被实施为具有或没有干扰作用补偿的线性或非线性状态调节器或者串联调节器。
9.如权利要求1到8中任一项所述的调节装置，其特征在于，流体泵是轴向柱塞泵，其可检测的输出量是其回转角(α)。
10.如权利要求2到9中任一项所述的调节装置，其特征在于，至少一个调节器在输入侧获得至少两个和信号，其中一个和信号由主导参数(pd)和矢量信号的至少一个分量形成，而另一个和信号由监视器估计值和矢量信号的至少一个其他分量形成。
11.一种操作调节装置的方法，尤其用于调节分别与至少一个致动器协同作用的流体传输装置或可借助于流体驱动的装置、如可调节的流体泵，其中所述致动器由至少一个调节器根据可定义的主导参数 (pd)控制，所述调节器经至少一个具有监视器(估计器)的反馈采集被控系统的至少部分输出量(α，p1)，其特征在于，从体积流量调节操作和极限压力操作切换到压力调节操作中的过渡、以及优选地还有相反的过渡有利地通过以下方式温和地发生，即在切换时刻，至少用于矢量信号的一部分的压力值(p1)及其对时间的一阶导数连续地变化。

说明书全文

技术领域

本发明涉及调节装置，该调节装置优选地作为液压回路的部件，还涉及操作调节器的方法，尤其用于调节分别与致动器协同的流体输送装置或可由流体驱动的装置，如可调节流体泵，其中致动器可由至少一个调节器根据可定义的主导参数(guide variable)控制，调节器通过至少一个反馈采集被控系统的至少部分输出量。

背景技术

DE 41 35 277 C2公开了一种用于可调节液压泵的调节装置，其中液压泵的输送量可由致动装置改变，调节装置至少具有两个由致动装置致动的调节器，且设置至少一个自动将调节器连接至致动装置的液压开关元件，致动装置提供相应的最高或最低的控制压力。在已知的解决方案的一个实施例中，该调节装置具有压力-流量调节器，其主要包括设置在泵单元处的开关阀板、可调节的孔板单元和独立于压力调节板地同样设置在开关阀板处的流量调节板。按照已知解决方案，控制压力被施加到位于那里的泵单元的一端，即由流量调节板所输送的控制压力或由压力调节板所输送的控制压力。其中，由开关阀板决定是流量调节板还是压力调节板输送相应的控制信号至所述端。在已知的解决方案中，这两个调节器，即流量调节器和压力调节器彼此独立工作，且不直接相互影响。被称为标准调节器的流量和压力调节器的特性在已知的解决方案中保持，并且通过利用这些经济的、可批量生产的标准调节器，为已知的调节装置提供经济的解决方案。
尤其地，已知的解决方案能够实现具有极限压力功能的体积流量调节的操作。该类可调节泵的调节也被称为“负载传感(LOAD SENSING)”。在该操作模式中，泵被调节到特定的体积流量，相反，负载压力由负载的“本构结构(constitutive law)”给定。为了防止对泵或液压回路中元件的损伤，“负载传感”概念包含所谓的极限压力功能，即从达到某压力水平开始，从体积流量调节的操作切换到压力调节的操作。
当前已知的具有极限压力功能的体积流量调节操作的方法的问题在于从体积流量调节的操作到压力调节的操作的切换。例如，应该进行该切换，使得与(未知的)负载无关地，期望的压力无过调地被调节。在注塑机械和/或机床领域中这一点尤为重要，因为在这样的情况下，经常必须无过调地以精确定义的水平获取由突变变化的负载所决定的压力。
US 6468046B1公开了一种用于液压泵中压力调节的装置和方法，其使用现有技术中公知的PID调节概念。在已知的解决方案的一个实施例中，对于轴向柱塞泵，回转连接到泵的回转板(pivoting plate) 通过控制阀改变其与泵的相对角度。该调节允许控制阀仅根据泵的负载压力进行控制。
US 6375433 B1公开了一种液压泵中控制负载压力的方法和装置。在该解决方案中，通过使用两种控制定律(第一反馈线性化控制定律，第二反馈线性化控制定律)采用非线性方法，其中在负载侧进行压力体积流量的精确输入和输出线性化。
当前已知的压力调节的操作方法中主要的问题在于，由于负载变化，开放回路的放大明显改变，这在当前的技术中可能导致闭合的调节回路的不稳定性。通常，在泵的整个工作范围内对调节质量提出高的要求，而这些方法不能足够地满足这样的要求。

发明内容

从这些现有技术出发，本发明的目的是进一步改进已知的解决方案，以便特别是在从体积流量操作切换到压力调节操作时，与未知的负载情形无关地，无过调地调节期望的压力。而且，按照本发明的解决方案的特征为稳定的调节特性，且能够以很高的程度实现动态调节过程。该目的是通过具有权利要求1特征的调节装置和具有权利要求 11特征的方法实现的。
根据权利要求1特征部分，至少一个反馈具有至少一个用于估计可分配调节器的至少部分未知的输出量(状态x)的监视器(估计器)，从而设计调节装置，其中调节器包含线性的、或在可能情况下包含非线性的监视器，用于估计未知负载，该调节装置与调节类型(体积调节和/或压力调节)以及实施类型(模拟或离散)无关地连续地监视负载(负载体积流量)，以便高动态和精度(无过调)地进行调节。因此，可以实现非常精确地调节到泵的恒定体积流量和/或调节到装置负载侧的恒定压力。按照本发明的方法涉及调节装置的相关操作。通过引入前述变量(状态x)，还可以调节到例如流体泵形式的流体输送装置的恒定功率。总之，借助本发明，实现了例如液压马达形式的流体输送装置的多种单个调节方案。
按照本发明的调节装置的其他有利实施例是其他从属权利要求的主题。
附图说明
下面将根据附图借助于两个实施例来详细说明按照本发明的调节装置及其操作方法。
其中，图1和图2以电路图的形式示意地不按比例地示出了按照本发明的调节装置的基本结构。
具体实施例
如果按照本发明的解决方案被用于所谓的压力调节操作，则图中所示的调节器被构造为线性或非线性调节器的形式，以及优选地配备有干扰作用补偿，且以非线性和线性的监视器(负载估计器)实现。输出量、如pactuator，α，ω，p1用作其中可借助于调节缸体调节的轴流泵作为流体泵的简化模型的状态变量(状态x)，其中pactuator应对应于调节缸体中的压力，α是回转角，ω是回转角速度，p1对应于消耗负载输出端的泵或负载压力。具有比例因子的Pactuator可对应于流体量 qactuator，如图所示，其从致动器出发经弹簧加载的从动缸(未示出) 被进一步传送到轴向柱塞泵。优选地，使用具有可调节回转盘的轴向柱塞泵，其负载可当作流体回路的“流体节流器(fluid choke)”。这样构造的轴向柱塞泵例如在Mannesmann Rexroth出版物Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik Hydraulik(1991)中公开。在压力调节的操作中，如其尤其可以在图1所示的调节结构中有利地实现，其优点在于更好的导引压力调节，因为在该调节设计中，动态特性可任意地且与各工作点无关地给定。
通过使用所谓的“自适应反向递推(Adaptive Backstepping)”方法(M.Krstic，I.Kanellakopoulos，P.Kokotovic，Nonlinear and Adaptive Control Design，John Wiley&Sons公司，纽约，1995)，得到按照本构律的用于负载情形的调节定律(K1是常数，但未知，对应于估计的K1值)

q_{1} = {\hat{K}}_{1} \sqrt{P_{1} - P_{τ}}

其中kp和c2为调节器参数，p1(负载压力)和α(回转角)为测量量，pd为期望的负载压力，V1、β以及Kq为特定于泵和特定于负载的参数。监视器(负载估计器)为：

q_{actuator} = - k_{p} (p_{1} - p_{d}) + α (\frac{{\hat{K}}_{1} β}{2 V_{1} \sqrt{p_{1} - p_{τ}}} - \frac{V_{1} c_{2}}{{βK}_{q}}) - \frac{V_{1} c_{2}}{{βK}_{q}^{2}} {\hat{K}}_{1} \sqrt{p_{1} - p_{τ}} - \frac{{\hat{K}}_{1}^{2} β}{2 V_{1} K_{q}} +

+ \frac{{\overset{\dot{^}}{K}}_{1}}{K_{q}} \sqrt{p_{1} - p_{τ}}

其中γ为可调节参数。基于调节定律和监视器所得出的结构在图 1中示例性地示出。在该实施例中，不是调节量u，而是qactuator被选择作为泵的调节量，因为通常为开关阀(未示出)形式的致动器可假定为理想地快，并且由此在qactuator和其他调节量u之间仅存在代数(非线性)关系，这可集合到致动定律中(伺服补偿)。
图1所示的调节回路的特征是，在矢量信号的意义上，泵的回转角α和负载下游的负载压力p1被组合为一(状态x)，其一次直接被提供到调节器，并一次被提供到监视器/估计器。监视器/估计器然后在反馈中执行调节器的估计负载(K1)的干扰作用补偿，调节器在输入侧采集获得其作为主导参数pd。
在图2所示实施例中，前面描述的解决方案被修正，以便在和矢量信号中被组合为(状态x)的参数：回转角α和负载压力p1又被分割地提供到调节器作为输入量，即以由因子k1估计且由负载压力和主导参数pd组成的一个和信号的形式，并且另一和参数由回转角和监视器/估计器所估计的负载(或估计的回转角)形成，这个估计的负载又具有调节器的因子k2地与根据k1的值一起形成总和信号作为致动器的调节量u。
为了能够实现具有极限压力功能的体积流量调节操作，并在处理过程中从体积流量调节操作尽可能平滑和无过调地过渡到压力调节操作(反之亦然)，上面解释的设计被扩展以所谓的平坦性(flatness) 概念(参看M.J.Fliess等人的“Flatness and Defect of Non-linear Systems，Introductory Theory and Examples”，Int.J.Control，Vol. 61，No.6.pp 1327-1361，1995)，即，超过或低于特定压力和/或压力梯度，以便能够从体积流量调节操作“温和地”切换到压力调节的操作。对于该情形，“温和”意味着从切换时刻开始，以这样的方式生成负载压力的轨迹，即在切换时刻，压力的绝对值和至少该压力对切换时刻的一阶导数相同。其中，(特定于应用)根据压力水平和压力梯度确定切换时刻；(例如，最大可允许的压力梯度是压力水平的函数)。该方法还具有压力可以无过调地被调节到所确定的水平上的优点。
在与上述压力控制操作所示的可比较的框架条件下，扩展的调节定律如下：

q_{actuator} = - k_{p} (p_{1} - p_{d}) + α (\frac{{\hat{K}}_{1} β}{2 V_{1} \sqrt{p_{1} - p_{τ}}} - \frac{V_{1} c_{2}}{{βK}_{q}}) - \frac{V_{1} c_{2}}{{βK}_{q}^{2}} {\hat{K}}_{1} \sqrt{p_{1} - p_{τ}} - \frac{{\hat{K}}_{1}^{2} β}{2 V_{1} K_{q}} +

+ \frac{{\overset{\dot{^}}{K}}_{1}}{K_{q}} \sqrt{p_{1} - p_{τ}} + \frac{{\dot{p}}_{d} V_{1}^{2} c_{2}}{β^{2} K_{q}^{2}} + {\overset{. .}{p}}_{d} \frac{V_{1}}{{βK}_{q}}

并且负载估计器由下式定义：

{\overset{\dot{^}}{K}}_{1} = γ \frac{β}{V_{1}} (\frac{β {\hat{K}}_{1} α}{2 V_{1} \sqrt{p_{1} - p_{τ}}} - \frac{β}{{2 V}_{1} K_{q}} {\hat{K}}_{1}^{2} - K_{q} (p_{1} - p_{τ}) - \frac{{\hat{K}}_{1} {\dot{p}}_{d}}{2 K_{q} \sqrt{p_{1} - p_{τ}}})

其中pd是可以至少二重连续微分的压力基准。
组合的体积流量和压力调节器可以被实现为具有或没有干扰作用补偿以及具有监视器(估计器)的线性或非线性状态调节器或者串联调节器。可通过各监视器检测的被控系统的输出量形成状态x，其中除了已经提到的变量，状态x还可基于其他测量变量被监视。监视器(负载估计器)的输出量可对应于负载体积流量，并因此可被设计为调整路径的函数(对于可调节的轴向柱塞泵，调整路径基本对应于转向盘的角度α)。
在实践试验中已经表示，即使对于非常大的突变的负载改变，负载压力可无过调地被调节到期望的额定值，例如180巴，从而尤其是在注塑机器领域和/或机床领域，多个应用是可能的。

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