WO2009056378A2 - Regeleinrichtung zum positionsregeln einer hydraulikzylindereinheit mit linearisierungseinheit - Google Patents

Regeleinrichtung zum positionsregeln einer hydraulikzylindereinheit mit linearisierungseinheit Download PDF

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Definitions

  • the present invention is based on a control device for regulating the position of a hydraulic cylinder unit, wherein the control device has a controller on the input side receives a desired position of a piston of the hydraulic cylinder unit and an actual position of the piston, based on the difference between the desired position and actual position a manipulated variable for a valve control unit of the hydraulic cylinder unit determined and outputs the determined manipulated variable to the valve control unit, so that the piston is adjusted at a Verstellgeschwin- speed.
  • Hydraulic cylinder units show a control behavior that is highly dependent on the operating point of the hydraulic cylinder unit.
  • a position controller that has been optimized for a specific operating point is working less well or poorly in other operating points.
  • the object of the present invention is to provide opportunities by means of which an optimal control behavior can be achieved in the simplest possible way.
  • the object is achieved by a control device having the features of claim 1 and claim 3, a software module having the features of claim 8 and a data carrier having the features of claim 9.
  • Claims 2 and 4 to 7 relate to advantageous embodiments of the control device.
  • Claim 10 indicates a preferred use of the control device according to the invention.
  • the controller determines a provisional control variable. Furthermore, the controller is followed by a linearization unit, which multiplies the provisional manipulated variable with a linearization factor and outputs the multiplied with the linearization factor provisional manipulated variable as the final manipulated variable to the valve control unit.
  • the linearization unit determines the linearization factor dynamically as a function of the actual position of the piston and on both sides of the piston as well as on the inflow and outflow side of the valve control unit prevailing working pressures.
  • the linearization unit determines the linearization factor such that a ratio of the adjustment speed to the difference between the desired position and the actual position is independent of the actual position of the piston and the working bridges.
  • the controller is designed as a P-controller.
  • the order of controller and linearization unit can be reversed.
  • the linearization unit multiplies the difference between the desired position and the actual position by the linearization factor and supplies the multiplied difference to the controller as its input variable.
  • the way of determining the linearization factor remains unchanged.
  • the linearization unit draws the performance data of the valve control unit, effective working surfaces on both sides of the piston, and minimally possible effective volumes on both sides of the piston in order to determine the linearization factor.
  • the other data can be here the linearization unit be fixed.
  • the linearization unit receives the further data at least partially as a parameter.
  • the linearization unit determines the linearization factor according to the relationship
  • - K is a freely selectable, constant scaling factor
  • - AKA is the working surface of the piston facing the increasing working volume
  • AKB is the working surface of the piston facing the decreasing working volume
  • pA is the working pressure which acts on the working surface of the piston facing the increasing working volume
  • pB is the working pressure which acts on the working surface of the piston facing the decreasing working volume
  • pP is the working pressure prevailing on the inflow side of the valve control unit
  • pT is the working pressure at the outlet side of the valve control unit
  • pN is a nominal pressure of the valve control unit
  • QNA is a nominal volume flow which flows into the increasing working volume when a difference between the working pressure present at the inlet of the valve control unit and the working pressure present in the increasing working volume is equal to the nominal pressure
  • QNB is a nominal volume flow that flows from the decreasing working volume when a difference between the working pressure present in the decreasing working volume and the working pressure at the outlet end of the valve control unit is equal to the nominal pressure
  • hA is the quotient between the increasing working volume and the working surface facing this working volume, the increasing working volume being determined on the basis of the actual position of the piston and of the minimum possible effective volume for this side of the piston, and
  • - hB is the quotient between the decreasing working volume and the working surface facing the decreasing working volume, wherein the decreasing working volume is determined on the basis of the actual position of the piston and of the minimum possible effective volume for this side of the piston.
  • the control device can be designed as a hardware structure. Preferably, however, it is designed as a software programmable control device and programmed with a software module, so that it is formed according to the invention due to the programming with the software module.
  • the software module comprises machine code whose execution by means of a software programmable control device connected to a hydraulic cylinder unit causes the control device to be designed as described above.
  • the software module may be stored in machine-readable form on a data carrier.
  • control device In principle, the control device according to the invention is universally applicable. Preferably, however, it is used for starting a roll stand. Further advantages and details will become apparent from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawings.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a control device and a hydraulic cylinder unit
  • FIG. 5 shows a setting device for a roll of a roll stand.
  • a hydraulic cylinder unit 1 has a hydraulic cylinder 2 in which a piston 3 is movably mounted.
  • the piston 3 is movable within the hydraulic cylinder 1 between a minimum position smin and a maximum position smax. He is thus at any time at an actual position s, which is between the minimum position smin and the maximum position smax.
  • the piston 3 has a first working surface 4A and a second working surface 4B. Each work surface 4A, 4B faces a corresponding working volume 5A, 5B.
  • the working volumes 5A, 5B are hydraulically connected via hydraulic paths 6A, 6B and a valve control unit 7 to a hydraulic pump 8 and a hydraulic reservoir 9.
  • the hydraulic paths 6A, 6B extend from the respective working volume 5A, 5B to the valve control unit 7.
  • the working volume 5A has a volume value VA which increases
  • VA VminA + AKA (s-smin)
  • the reference character AKA designates the area value of the working surface 4A of the piston 3 facing the working volume 5A.
  • the actual position s and the maximum position smax can be determined according to the relationships
  • a second working pressure pB prevails.
  • the hydraulic fluid 10 is supplied with a pump pressure pP via the hydraulic pump 8.
  • a tank pressure pT In the hydraulic reservoir 9 there is a tank pressure pT.
  • the pump pressure pP and the tank pressure pT correspond to an inflow and outflow side of the valve control unit 7 prevailing working pressure.
  • the valve control unit 7 is formed in the present case as a four-way valve.
  • each of the two working volumes 5A, 5B can alternatively be acted upon by the pump pressure pP or by the tank pressure pT.
  • the valve control unit 7 could also be designed as a two-way valve.
  • one of the two working volumes 5A, 5B would be subjected to a constant pressure, for example half the pump pressure pP.
  • the other of the working volumes 5A, 5B can alternatively be subjected to the pump pressure pP or the tank pressure pT.
  • the valve control unit 7 and with it the entire hydraulic cylinder unit 1 is regulated by means of a control device 11.
  • the piston 3 is here position-controlled.
  • the control device 11 is preferably designed according to FIG. 1 as a software programmable control device 11.
  • the control device 11 is therefore programmed by means of a software module 12.
  • the software module 12 can be fed to the control device 11, for example, by means of a data carrier 13, on which the software module 12 is stored in machine-readable form.
  • a data carrier 13 comes in principle any disk in question. Shown is (purely by way of example) in FIG. 1 a CD-ROM 13.
  • the software module 12 includes machine code 14, which can be processed by the control device 11.
  • the processing of the machine code 14 by the control device 11 causes the control device 11 to regulate the hydraulic cylinder unit 1, as will be explained in more detail below.
  • the programming of the control device 11 with the software module 12 effects the corresponding design of the control device 11.
  • the control device 11 is first supplied with a desired position s * of the piston 3 and the actual position s of the piston 3. The control device 11 then determined in a manner to be explained a manipulated variable u for the valve control unit 7 and outputs the manipulated variable u to the valve control unit 7. The control device 11 thereby performs the position control of the hydraulic cylinder unit 1 (more precisely, the piston 3).
  • the control device 11 is preferably designed according to FIG. According to FIG. 2, the control device 11 has a controller 15, which receives the set position s * and the actual position s on the input side. In a node 16, the difference ⁇ s of nominal position s * and actual position s is formed. This difference is referred to below as a control difference ⁇ s.
  • the control difference ⁇ s is supplied to the controller 15, which determines a provisional control variable u 'for the valve control unit 7 on the basis of the control difference ⁇ s.
  • the controller 15 is hereby formed according to FIG 2 preferably as a P-controller.
  • the regulator is followed by a linearization unit 17.
  • the linearization unit 17 in this case has a multiplier 18 and a detection device 19.
  • the determination means 19 determines, as will be explained, a linearization factor F and outputs the linearization factor F to the multiplier 18.
  • the multiplier 18 continues to receive from the controller 15, the preliminary manipulated variable u 'and multiplies the provisional manipulated variable u' with the linearization factor F.
  • the linearization unit 17 determines in this way the final control variable u, which is output to the valve control unit 7.
  • the valve control unit 7 adjusts itself according to the manipulated variable u transmitted to it. This causes the piston 3 is displaced or adjusted at an adjustment speed v.
  • the controller 15 can in principle be any controller.
  • An embodiment of the controller 15 as a P controller is, however, usually sufficient and also preferred.
  • FIG. 3 it is possible to exchange the sequence of controller 15 and linearization unit 17.
  • the design of the controller 15 as a P-controller is mandatory.
  • the mode of operation of the embodiment according to FIG. 3 is completely analogous to the embodiment according to FIG. 2. Detailed explanations regarding FIG. 3 can therefore be dispensed with.
  • the determination device 19 of the linearization unit 17 determines the linearization factor F dynamically as a function of the actual position s of the piston 3, the working pressures pA, pB prevailing on both sides of the piston 3 and the working pressures pP, pT prevailing on the inflow and outflow side of the valve control unit 7.
  • the determination device 19 determines the linearization factor F such that a ratio of the adjustment speed v to the difference ⁇ s of the setpoint position s * and actual position s is independent of the actual position s and the working pressures pA, pB, pP, pT.
  • the control device 11 is usually clocked with a power stroke T. With the frequency of the working clock T takes the control device 11 each have a new setpoint position s * and a new actual position s counteracts, determines the manipulated variable u and outputs the manipulated variable u to the valve control unit 7.
  • the determination device 19 is supplied with a new value for the actual position s and the working pressures pA, pB , Furthermore, the determination device 19 is supplied with the sign of the control difference ⁇ s.
  • the cyclic feeding of these variables s, pA, pB, ⁇ s is hereby indicated in FIG. 4 in that the detection device 19 is preceded by a latch 19 ', which is clocked with the working cycle T (or the auxiliary cycle T').
  • the pump pressure pP and the tank pressure pT are usually constant. It is therefore possible to supply these two pressures pP, pT to the determination device 19 once (that is to say in advance and therefore as a parameter). Alternatively, however, it is also possible to clock the inflow-side working pressure pP and the outflow-side working pressure pT of the determination device 19 and thus to supply it as a variable.
  • the determination device 19 requires further data for the exact calculation of the linearization factor F.
  • the further data generally include performance data pN, QNA, QNB of the valve control unit 7, the working surfaces AKA, AKB effective on both sides of the piston 3 and the minimum effective volumes VminA, VminB possible on both sides of the piston. These values can be fixedly assigned to the determination device 19, for example by the software module 12.
  • the further data can be predetermined, at least in part, to the determination device 19 after the control device 11 has been programmed as a parameter (ie within the framework of the activation of the control device 11) which are kept unchanged during the operation of the control device 11.
  • the linearization factor F is dependent on the direction of movement of the piston 3, that is to say from the direction in which the piston 3 is to be displaced.
  • the linearization factor F is thus dependent on the sign of the control difference ⁇ s.
  • the determination device 19 preferably determines the linearization factor F
  • the variables used in the above formula are already defined-with the exception of the performance data pN, QNA, QNB of the valve control unit 7.
  • the performance data pN, QNA and QNB of the valve control unit 7 have the following meaning:
  • pN is a (in principle arbitrary) nominal pressure. It corresponds to a reference pressure to which the quantities QNA, QNB are normalized.
  • - QNA is a nominal volume flow which flows into the working volume 5A when a difference between the pump pressure pP and the working pressure pA prevailing in the working volume 5A is equal to the nominal pressure pN.
  • QNB is a nominal volume flow that flows out of the working volume 5B when a difference between the working pressure pB and the tank pressure pT is equal to the nominal pressure pN.
  • the linearization factor F is direction-dependent. In the case where the piston 3 is to be displaced in the opposite direction, the linearization factor F increases
  • the determination device 19 preferably calculates both values and selects the correct linearization factor F on the basis of the sign of the control difference ⁇ s.
  • hydraulic cylinder unit 1 and control device 11 are in principle arbitrarily applicable. Preferably, however, it is used according to FIG 5 for employment control of a schematically indicated in Figure 5 rolling mill 20.
  • the present invention has many advantages.
  • an optimal operation of the control device 11 takes place at each operating point of the hydraulic cylinder unit 1, an optimal operation of the control device 11 takes place.
  • the control is completely linearized. Transformations (compare non-linear HGC) are not required.
  • integration of the present invention into already existing control systems is possible in a simple manner since already existing superimposed control structures (meshed controls and the like) do not have to be changed. This results in a simplified commissioning and maintainability of the control device 11 according to the present invention.

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Abstract

Eine Regeleinrichtung (11) zum Positionsregeln einer Hydraulikzylindereinheit (1) weist einen Regler (15) auf, der eingangsseitig eine Sollstellung (s*) eines Kolbens (3) der Hydraulikzylindereinheit (1) und eine Iststellung (s) des KoIbens (3) entgegen nimmt und anhand der Differenz (δs) von Sollstellung (s*) und Iststellung (s) eine vorläufige Stellgröße (u' ) für eine Ventilsteuereinheit (7) der Hydraulikzylindereinheit (1) ermittelt. Dem Regler (15) ist eine Linearisierungseinheit (17) nachgeordnet, welche die vorläufige Stellgröße (u') mit einem Linearisierungsfaktor (F) multipliziert und die mit dem Linearisierungsfaktor (F) multiplizierte vorläufige Stellgröße (u') als endgültige Stellgröße (u) an die Ventilsteuereinheit (7) ausgibt, so dass der Kolben (3) mit einer Verstellgeschwindigkeit (v) verstellt wird. Die Linearisierungseinheit (17) bestimmt den Linearisierungsfaktor (F) dynamisch als Funktion der Iststellung (s) des Kolbens (3) und beidseitig des Kolbens (3) sowie zufluss- und abf lussseitig der Ventilsteuereinheit (7) herrschender Arbeitsdrücke (pA, pB, pP, pT). Die Bestimmung erfolgt derart, dass ein Verhältnis der Verstellgeschwindigkeit (v) zur Differenz (δs) von Sollstellung (s*) und Iststellung (s) unabhängig von der Iststellung (s) des Kolbens (3) und den Arbeitsdrücken (pA, pB, pP, pT) ist. In dem Spezialfall, dass der Regler (15) als P-Regler ausgebildet ist, kann die Reihenfolge von Regler (15) und Linearisierungseinheit (17) vertauscht sein.

Description

Beschreibung
Regeleinrichtung zum Positionsregeln einer Hydraulikzylindereinheit mit Linearisierungseinheit
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Regeleinrichtung zum Positionsregeln einer Hydraulikzylindereinheit, wobei die Regeleinrichtung einen Regler aufweist, der eingangsseitig eine Sollstellung eines Kolbens der Hydraulikzylindereinheit und eine Iststellung des Kolbens entgegen nimmt, anhand der Differenz von Sollstellung und Iststellung eine Stellgröße für eine Ventilsteuereinheit der Hydraulikzylindereinheit ermittelt und die ermittelte Stellgröße an die Ventilsteuereinheit ausgibt, so dass der Kolben mit einer Verstellgeschwin- digkeit verstellt wird.
Hydraulikzylindereinheiten zeigen ein Regelverhalten, das stark vom Betriebspunkt der Hydraulikzylindereinheit abhängig ist. Ein Positionsregler, der für einen bestimmten Betriebs- punkt optimiert wurde, arbeitet in anderen Betriebspunkten weniger gut oder schlecht.
Zum Verbessern des Regelverhaltens ist im Stand der Technik bekannt, als Regelcharakteristik des Reglers eine so genannte Schmetterlingskurve vorzusehen. Die Schmetterlingskurve deckt jedoch nicht den gesamten Raum möglicher Betriebspunkte ab und arbeitet daher nicht in jedem Betriebszustand optimal.
Weiterhin ist es für Positionsregler für Hydraulikzylinder- einheiten bekannt, für die Sollstellung und die Iststellung unabhängig voneinander je eine nichtlineare Transformation vorzunehmen und zusätzlich eine Teillinearisierung des Positionsreglers vorzunehmen. Diese Vorgehensweise ist sehr aufwändig .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer auf möglichst einfache Weise ein optimales Regelverhalten erreicht werden kann. Die Aufgabe wird durch eine Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 3, ein Softwaremodul mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und einen Datenträger mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Ansprüche 2 und 4 bis 7 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Regeleinrichtung. Anspruch 10 nennt eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung.
Erfindungsgemäß ermittelt der Regler eine vorläufige Stell- große. Weiterhin ist dem Regler eine Linearisierungseinheit nachgeordnet, welche die vorläufige Stellgröße mit einem Linearisierungsfaktor multipliziert und die mit dem Linearisierungsfaktor multiplizierte vorläufige Stellgröße als endgültige Stellgröße an die Ventilsteuereinheit ausgibt. Die Line- arisierungseinheit bestimmt den Linearisierungsfaktor dynamisch als Funktion der Iststellung des Kolbens und beidseitig des Kolbens sowie zufluss- und abflussseitig der Ventilsteuereinheit herrschender Arbeitsdrücke. Die Linearisierungseinheit bestimmt den Linearisierungsfaktor derart, dass ein Ver- hältnis der Verstellgeschwindigkeit zur Differenz von Sollstellung und Iststellung unabhängig von der Iststellung des Kolbens und den Arbeitsbrücken ist. Bevorzugt ist hierbei der Regler als P-Regler ausgebildet.
In dem Spezialfall, dass der Regler als P-Regler ausgebildet ist, kann die Reihenfolge von Regler und Linearisierungseinheit vertauscht werden. In diesem Fall multipliziert die Linearisierungseinheit die Differenz von Sollstellung und Iststellung mit dem Linearisierungsfaktor und führt die mul- tiplizierte Differenz dem Regler als dessen Eingangsgröße zu. Die Art und Weise der Ermittlung des Linearisierungsfaktors bleibt jedoch unverändert.
In aller Regel zieht die Linearisierungseinheit zur Bestim- mung des Linearisierungsfaktors als weitere Daten Leistungsdaten der Ventilsteuereinheit, beidseitig des Kolbens wirksame Arbeitsflächen und beidseitig des Kolbens minimal mögliche wirksame Volumina heran. Die weiteren Daten können hierbei der Linearisierungseinheit fest vorgegeben sein. Vorzugsweise jedoch nimmt die Linearisierungseinheit die weiteren Daten zumindest teilweise als Parameter entgegen.
Vorzugsweise ermittelt die Linearisierungseinheit den Linearisierungsfaktor gemäß der Beziehung
Figure imgf000005_0001
Die in obiger Gleichung verwendeten Größen haben hierbei folgende Bedeutung:
- F ist der Linearisierungsfaktor,
- K ist ein frei wählbarer, konstanter Skalierungsfaktor, - AKA ist die dem sich vergrößernden Arbeitsvolumen zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens,
- AKB ist die dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens,
- pA ist der Arbeitsdruck, der auf die dem sich vergrößern- den Arbeitsvolumen zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens wirkt,
- pB ist der Arbeitsdruck, der auf die dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens wirkt, - pP ist der zuflussseitig der Ventilsteuereinheit anstehende Arbeitsdruck,
- pT ist der abflussseitig der Ventilsteuereinheit anstehende Arbeitsdruck,
- pN ist ein Nominaldruck der Ventilsteuereinheit, - QNA ist ein Nennvolumenstrom, der in das sich vergrößernde Arbeitsvolumen strömt, wenn eine Differenz zwischen dem zuflussseitig der Ventilsteuereinheit anstehenden Arbeitsdruck und dem im sich vergrößernden Arbeitsvolumen anstehenden Arbeitsdruck gleich dem Nominaldruck ist, - QNB ist ein Nennvolumenstrom, der aus dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen strömt, wenn eine Differenz zwischen dem im sich verkleinernden Arbeitsvolumen anstehenden Arbeitsdruck und dem abflussseitig der Ventilsteuerein- heit anstehenden Arbeitsdruck gleich dem Nominaldruck ist,
- hA ist der Quotient zwischen dem sich vergrößernden Arbeitsvolumen und der diesem Arbeitsvolumen zugewandten Arbeitsfläche, wobei das sich vergrößernde Arbeitsvolu- men anhand der Iststellung des Kolbens und des für diese Seite des Kolbens minimal möglichen wirksamen Volumens ermittelt wird, und
- hB ist der Quotient zwischen dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen und der dem sich verkleinernden Arbeitsvo- lumen zugewandten Arbeitsfläche, wobei das sich verkleinernde Arbeitsvolumen anhand der Iststellung des Kolbens und des für diese Seite des Kolbens minimal möglichen wirksamen Volumens ermittelt wird.
Die Regeleinrichtung kann als Hardwarestruktur ausgebildet sein. Vorzugsweise ist sie jedoch als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung ausgebildet und mit einem Softwaremodul programmiert, so dass sie auf Grund der Programmierung mit dem Softwaremodul erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Das Softwaremodul umfasst Maschinencode, dessen Abarbeitung durch eine an eine Hydraulikzylindereinheit angebundene softwareprogrammierbare Regeleinrichtung bewirkt, dass die Regeleinrichtung wie obenstehend beschrieben ausgebildet wird. Das Softwaremodul kann in maschinenlesbarer Form auf einem Datenträger gespeichert sein.
Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Regeleinrichtung universell verwendbar. Vorzugsweise jedoch wird sie zur Anstel- lungsregelung eines Walzgerüsts verwendet. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung und einer Hydraulikzylindereinheit,
FIG 2 eine erste Ausführungsform der Regeleinrichtung,
FIG 3 eine zweite Ausführungsform der Regeleinrich- tung,
FIG 4 eine Ermittlungseinrichtung einer Linearisierungseinheit und
FIG 5 eine Anstellungseinrichtung für eine Walze eines Walzgerüsts.
Gemäß FIG 1 weist eine Hydraulikzylindereinheit 1 einen Hydraulikzylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 beweglich gelagert ist. Der Kolben 3 ist innerhalb des Hydraulikzylinders 1 zwischen einer Minimalstellung smin und einer Maximalstellung smax bewegbar. Er befindet sich also zu jedem Zeitpunkt bei einer Iststellung s, die zwischen der Minimalstellung smin und der Maximalstellung smax liegt.
Der Kolben 3 weist eine erste Arbeitsfläche 4A und eine zwei- te Arbeitsfläche 4B auf. Jede Arbeitsfläche 4A, 4B ist einem entsprechenden Arbeitsvolumen 5A, 5B zugewandt.
Die Arbeitsvolumina 5A, 5B sind über Hydraulikpfade 6A, 6B und eine Ventilsteuereinheit 7 mit einer Hydraulikpumpe 8 und einem Hydraulikreservoir 9 hydraulisch verbunden. Die Hydraulikpfade 6A, 6B erstrecken sich hierbei von dem jeweiligen Arbeitsvolumen 5A, 5B bis zur Ventilsteuereinheit 7.
Wenn der Kolben 3 sich in seiner Minimalstellung smin befin- det, befindet sich im Hydraulikpfad 6A ein bestimmtes Volumen einer Hydraulikflüssigkeit 10. Dieses Volumen ist die minimale Menge an Hydraulikflüssigkeit 10, die sich zwischen der Ventilsteuereinheit 7 und der Arbeitsfläche 4A des Kolbens 3 befindet. Diese Menge an Hydraulikflüssigkeit 10 ist das minimal mögliche wirksame Volumen für das Arbeitsvolumen 5A. Es wird nachfolgend mit dem Bezugszeichen VminA bezeichnet.
In analoger Weise befindet sich im Hydraulikpfad 6B eine bestimmte Menge an Hydraulikflüssigkeit 10, wenn der Kolben 3 sich in seiner Maximalstellung smax befindet. Diese Menge an Hydraulikflüssigkeit 10 stellt ein minimal mögliches wirksames Volumen für das Arbeitsvolumen 5B dar. Dieses Minimalvo- lumen wird nachfolgend mit dem Bezugszeichen VminB bezeichnet .
Wenn der Kolben 3 sich bei einer beliebigen Iststellung s befindet, weist das Arbeitsvolumen 5A einen Volumenwert VA auf, der sich zu
VA = VminA + AKA (s - smin)
ergibt. Mit dem Bezugszeichen AKA ist hierbei der Flächenwert der dem Arbeitsvolumen 5A zugewandten Arbeitsfläche 4A des Kolbens 3 bezeichnet.
Es ist möglich, das wirksame Volumen VA durch den Flächenwert AKA zu dividieren. Der Quotient
hA = VA/AKA
entspricht einer effektiven Höhe einer Säule der Hydraulikflüssigkeit 10 über dem Kolben 3.
In analoger Weise können anhand des minimal möglichen wirksamen Volumens VminB, des Flächenwerts AKB der dem Arbeitsvolumen 5B zugewandten Arbeitsfläche 4B, der Iststellung s und der Maximalstellung smax gemäß den Beziehungen
VB = VminB + AKB (smax-s)
und hB = VB /AKB
korrespondierende Werte VB und hB für die zweite Arbeitsflä- che 4B bzw. das zweite Arbeitsvolumen 5B ermittelt werden.
Im Arbeitsvolumen 5A herrscht ein erster Arbeitsdruck pA, im zweiten Arbeitsvolumen 5B ein zweiter Arbeitsdruck pB . Über die Hydraulikpumpe 8 wird die Hydraulikflüssigkeit 10 mit ei- nem Pumpendruck pP beaufschlagt. Im Hydraulikreservoir 9 herrscht ein Tankdruck pT . Der Pumpendruck pP und der Tankdruck pT entsprechen einem zufluss- und einem abflussseitig der Ventilsteuereinheit 7 herrschenden Arbeitsdruck.
Die Ventilsteuereinheit 7 ist im vorliegenden Fall als Vierwegeventil ausgebildet. Mittels eines Vierwegeventils ist jedes der beiden Arbeitsvolumina 5A, 5B alternativ mit dem Pumpendruck pP oder mit dem Tankdruck pT beaufschlagbar. Alternativ könnte die Ventilsteuereinheit 7 jedoch auch als Zwei- Wegeventil ausgebildet sein. In diesem Fall würde eines der beiden Arbeitsvolumina 5A, 5B mit einem konstanten Druck beaufschlagt werden, beispielsweise mit der Hälfte des Pumpendrucks pP. Das andere der Arbeitsvolumina 5A, 5B kann in diesem Fall alternativ mit dem Pumpendruck pP oder dem Tankdruck pT beaufschlagt werden.
Die Ventilsteuereinheit 7 und mit ihr die gesamte Hydraulikzylindereinheit 1 wird mittels einer Regeleinrichtung 11 geregelt. Der Kolben 3 wird hierbei positionsgeregelt. Die Re- geleinrichtung 11 ist vorzugsweise entsprechend FIG 1 als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung 11 ausgebildet. Die Regeleinrichtung 11 wird daher mittels eines Softwaremoduls 12 programmiert. Das Softwaremodul 12 kann der Regeleinrichtung 11 beispielsweise mittels eines Datenträgers 13 zuge- führt werden, auf dem das Softwaremodul 12 in maschinenlesbarer Form gespeichert ist. Als Datenträger 13 kommt hierbei prinzipiell ein beliebiger Datenträger in Frage. Dargestellt ist (rein beispielhaft) in FIG 1 eine CD-ROM 13. Das Softwaremodul 12 umfasst Maschinencode 14, der von der Regeleinrichtung 11 abarbeitbar ist. Das Abarbeiten des Maschinencodes 14 durch die Regeleinrichtung 11 bewirkt, dass die Regeleinrichtung 11 die Hydraulikzylindereinheit 1 so re- gelt, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Die Programmierung der Regeleinrichtung 11 mit dem Softwaremodul 12 bewirkt die entsprechende Ausbildung der Regeleinrichtung 11.
Der Regeleinrichtung 11 werden gemäß FIG 1 zunächst eine Sollstellung s* des Kolbens 3 und die Iststellung s des Kolbens 3 zugeführt. Die Regeleinrichtung 11 ermittelt daraufhin in noch zu erläuternder Weise eine Stellgröße u für die Ventilsteuereinheit 7 und gibt die Stellgröße u an die Ventilsteuereinheit 7 aus. Die Regeleinrichtung 11 führt dadurch die Positionsregelung der Hydraulikzylindereinheit 1 (genauer: des Kolbens 3) durch.
Die Regeleinrichtung 11 ist vorzugsweise entsprechend FIG 2 ausgebildet. Gemäß FIG 2 weist die Regeleinrichtung 11 einen Regler 15 auf, der eingangsseitig die Sollstellung s* und die Iststellung s entgegennimmt. In einem Knotenpunkt 16 wird die Differenz δs von Sollstellung s* und Iststellung s gebildet. Diese Differenz wird nachfolgend als Regeldifferenz δs bezeichnet .
Die Regeldifferenz δs wird dem Regler 15 zugeführt, der anhand der Regeldifferenz δs eine vorläufige Stellgröße u' für die Ventilsteuereinheit 7 ermittelt. Der Regler 15 ist hierbei entsprechend FIG 2 vorzugsweise als P-Regler ausgebildet.
Dem Regler ist eine Linearisierungseinheit 17 nachgeordnet. Die Linearisierungseinheit 17 weist hierbei einen Multiplizierer 18 und eine Ermittlungseinrichtung 19 auf. Die Ermittlungseinrichtung 19 bestimmt in noch zu erläuternder Weise einen Linearisierungsfaktor F und gibt den Linearisierungsfaktor F an den Multiplizierer 18 aus. Der Multiplizierer 18 nimmt weiterhin vom Regler 15 die vorläufige Stellgröße u' entgegen und multipliziert die vorläufige Stellgröße u' mit dem Linearisierungsfaktor F. Die Linearisierungseinheit 17 ermittelt auf diese Weise die endgültige Stellgröße u, welche an die Ventilsteuereinheit 7 ausgegeben wird.
Die Ventilsteuereinheit 7 stellt sich entsprechend der an sie übermittelten Stellgröße u ein. Dadurch wird bewirkt, dass der Kolben 3 mit einer Verstellgeschwindigkeit v verschoben bzw. verstellt wird.
Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 2 kann der Regler 15 prinzipiell ein beliebiger Regler sein. Eine Ausgestaltung des Reglers 15 als P-Regler ist jedoch in der Regel ausreichend und auch bevorzugt.
Alternativ zu der Ausgestaltung gemäß FIG 2 ist es gemäß FIG 3 möglich, die Reihenfolge von Regler 15 und Linearisierungseinheit 17 zu vertauschen. In diesem Fall ist die Ausgestaltung des Reglers 15 als P-Regler zwingend. Im Übrigen ist die Wirkungsweise der Ausgestaltung gemäß FIG 3 völlig analog zu der Ausgestaltung gemäß FIG 2. Von Detailerläuterungen zu FIG 3 kann daher abgesehen werden.
Die Ermittlungseinrichtung 19 der Linearisierungseinheit 17 bestimmt den Linearisierungsfaktor F dynamisch als Funktion der Iststellung s des Kolbens 3, der beidseitig des Kolbens 3 herrschenden Arbeitsdrücke pA, pB sowie der zufluss- und ab- flussseitig der Ventilsteuereinheit 7 herrschenden Arbeitsdrücke pP, pT . Die Ermittlungseinrichtung 19 bestimmt den Linearisierungsfaktor F hierbei derart, dass ein Verhältnis der Verstellgeschwindigkeit v zur Differenz δs von Sollstellung s* und Iststellung s unabhängig von der Iststellung s und den Arbeitsdrücken pA, pB, pP, pT ist.
Die Wirkungsweise der Ermittlungseinrichtung 19 wird nachfol- gend in Verbindung mit FIG 4 detaillierter erläutert.
Die Regeleinrichtung 11 ist üblicherweise mit einem Arbeitstakt T getaktet. Mit der Frequenz des Arbeitstaktes T nimmt die Regeleinrichtung 11 jeweils eine neue Sollstellung s* und eine neue Iststellung s entgegen, ermittelt die Stellgröße u und gibt die Stellgröße u an die Ventilsteuereinheit 7 aus.
Ebenfalls mit dem Arbeitstakt T, ausnahmsweise auch mit einem kleineren Hilfstakt T' (also einem Takt T' , der eine kleinere Frequenz aufweist als der Arbeitstakt T) wird der Ermittlungseinrichtung 19 jeweils ein neuer Wert für die Iststellung s und die Arbeitsdrücke pA, pB zugeführt. Weiterhin wird der Ermittlungseinrichtung 19 das Vorzeichen der Regeldifferenz δs zugeführt. Das taktweise Zuführen dieser Größen s, pA, pB, δs ist hierbei in FIG 4 dadurch angedeutet, dass der Ermittlungseinrichtung 19 ein Latch 19' vorgeordnet ist, das mit dem Arbeitstakt T (bzw. dem Hilfstakt T') getaktet ist.
Der Pumpendruck pP und der Tankdruck pT sind in der Regel konstant. Es ist daher möglich, diese beiden Drücke pP, pT der Ermittlungseinrichtung 19 einmalig (d. h. vorab und damit als Parameter) zuzuführen. Alternativ ist jedoch ebenfalls möglich, den zuflussseitigen Arbeitsdruck pP und den abfluss- seitigen Arbeitsdruck pT der Ermittlungseinrichtung 19 getaktet und damit als Variable zuzuführen.
In der Regel benötigt die Ermittlungseinrichtung 19 zur exak- ten Berechnung des Linearisierungsfaktors F weitere Daten. Die weiteren Daten umfassen in der Regel Leistungsdaten pN, QNA, QNB der Ventilsteuereinheit 7, die beidseitig des Kolbens 3 wirksame Arbeitsflächen AKA, AKB sowie die beidseits des Kolbens minimal möglichen wirksamen Volumina VminA, VminB. Diese Werte können der Ermittlungseinrichtung 19 fest vorgegeben sein, beispielsweise durch das Softwaremodul 12. Alternativ können die weiteren Daten - zumindest teilweise - der Ermittlungseinrichtung 19 nach der Programmierung der Regeleinrichtung 11 als Parameter (d. h. im Rahmen der Inbe- triebsetzung der Regeleinrichtung 11) vorgegeben werden, die während des Betriebs der Regeleinrichtung 11 unverändert beibehalten werden. Der Linearisierungsfaktor F ist abhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens 3, das heißt von der Richtung, in die der Kolben 3 verschoben werden soll. Der Linearisierungsfaktor F ist damit abhängig vom Vorzeichen der Regeldifferenz δs . Nachfolgend wird angenommen, dass der Kolben 3 in die positive Richtung verschoben werden soll, also in Richtung auf die Maximalstellung smax zu. In diesem Fall bestimmt die Ermittlungseinrichtung 19 den Linearisierungsfaktor F vorzugsweise zu
Figure imgf000013_0001
Die in obiger Formel verwendeten Größen sind - mit Ausnahme der Leistungsdaten pN, QNA, QNB der Ventilsteuereinheit 7 be- reits definiert. Die Leistungsdaten pN, QNA und QNB der Ventilsteuereinheit 7 haben folgende Bedeutung:
- pN ist ein (prinzipiell beliebiger) Nominaldruck. Er entspricht einem Referenzdruck, auf den die Größen QNA, QNB normiert sind.
- QNA ist ein Nennvolumenstrom, der in das Arbeitsvolumen 5A strömt, wenn eine Differenz zwischen dem Pumpendruck pP und dem im Arbeitsvolumen 5A herrschenden Arbeitsdruck pA gleich dem Nominaldruck pN ist. - QNB ist ein Nennvolumenstrom, der aus dem Arbeitsvolumen 5B strömt, wenn eine Differenz zwischen dem Arbeitsdruck pB und dem Tankdruck pT gleich dem Nominaldruck pN ist. Wie bereits erwähnt, ist der Linearisierungsfaktor F richtungsabhängig. In dem Fall, das der Kolben 3 in die umgekehr- te Richtung verschoben werden soll, ergibt sich der Linearisierungsfaktor F zu
Figure imgf000014_0001
In Anspruch 6 ist dennoch - korrekterweise - nur eine einzige Formel angegeben, da Anspruch 6 richtungsabhängig formuliert ist. Die Ermittlungseinrichtung 19 hingegen berechnet vorzugsweise beide Werte und wählt anhand des Vorzeichens der Regeldifferenz δs den korrekten Linearisierungsfaktor F aus.
Die erfindungsgemäße Anordnung aus Hydraulikzylindereinheit 1 und Regeleinrichtung 11 ist prinzipiell beliebig einsetzbar. Vorzugsweise wird sie jedoch gemäß FIG 5 zur Anstellungsregelung eines in FIG 5 schematisch angedeuteten Walzgerüsts 20 verwendet .
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere erfolgt in jedem Betriebspunkt der Hydraulikzylindereinheit 1 ein optimaler Betrieb der Regeleinrichtung 11. Die Regelung ist vollständig linearisiert . Transformationen (vergleiche nicht lineares HGC) sind nicht erforderlich. Weiter- hin ist - ebenfalls im Gegensatz zum nicht linearen HGC - auf einfache Weise eine Einbindung der vorliegenden Erfindung in bereits vorhandene Regelsysteme möglich, da bereits vorhandene überlagerte Regelstrukturen (vermaschte Regelungen und dergleichen) nicht verändert werden müssen. Es ergibt sich damit eine vereinfachte Inbetriebsetzung und Wartbarkeit der Regeleinrichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Regeleinrichtung zum Positionsregeln einer Hydraulikzylindereinheit (1) , - wobei die Regeleinrichtung einen Regler (15) aufweist, der eingangsseitig eine Sollstellung (s*) eines Kolbens (3) der Hydraulikzylindereinheit (1) und eine Iststellung (s) des Kolbens (3) entgegen nimmt und anhand der Differenz (δs) von Sollstellung (s*) und Iststellung (s) eine vorläufige Stellgröße (u' ) für eine Ventilsteuereinheit (7) der Hydraulikzylindereinheit (1) ermittelt,
- wobei dem Regler (15) eine Linearisierungseinheit (17) nachgeordnet ist, welche die vorläufige Stellgröße (u' ) mit einem Linearisierungsfaktor (F) multipliziert und die mit dem Linearisierungsfaktor (F) multiplizierte vorläufige
Stellgröße (u' ) als endgültige Stellgröße (u) an die Ventilsteuereinheit (7) ausgibt, so dass der Kolben (3) mit einer Verstellgeschwindigkeit (v) verstellt wird,
- wobei die Linearisierungseinheit (17) den Linearisierungs- faktor (F) dynamisch als Funktion der Iststellung (s) des
Kolbens (3) und beidseitig des Kolbens (3) sowie zufluss- und abflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) herrschender Arbeitsdrücke (pA, pB, pP, pT) bestimmt,
- wobei die Linearisierungseinheit (17) den Linearisierungs- faktor (F) derart bestimmt, dass ein Verhältnis der Verstellgeschwindigkeit (v) zur Differenz (δs) von Sollstellung (s*) und Iststellung (s) unabhängig von der Iststellung (s) des Kolbens (3) und den Arbeitsdrücken (pA, pB, pP, pT) ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s der
Regler ( 15 ) al s P-Regler ausgebi ldet i st .
3. Regeleinrichtung zum Positionsregeln einer Hydraulikzylindereinheit (1) ,
- wobei die Regeleinrichtung einen als P-Regler ausgebildeten Regler (15) aufweist, der eingangsseitig eine Regelgröße (δs') entgegen nimmt, anhand der Regelgröße (δs' ) eine Stellgröße (u) für eine Ventilsteuereinheit (7) der Hydraulikzylindereinheit (1) ermittelt und die Stellgröße (u) an die Ventilsteuereinheit (7) ausgibt, so dass der Kolben (3) mit einer Verstellgeschwindigkeit (v) verstellt wird,
- wobei dem Regler (15) eine Linearisierungseinheit (17) vorgeordnet ist, welche eine Sollstellung (s*) eines Kolbens
(3) der Hydraulikzylindereinheit (1) und eine Iststellung (s) des Kolbens (3) entgegen nimmt, deren Differenz (δs) mit einem Linearisierungsfaktor (F) multipliziert und die mit dem Linearisierungsfaktor (F) multiplizierte Differenz (δs) als Regelgröße (δs' ) an den Regler (15) ausgibt,
- wobei die Linearisierungseinheit (17) den Linearisierungsfaktor (F) dynamisch als Funktion der Iststellung (s) des Kolbens (3) und beidseitig des Kolbens (3) sowie zufluss- und abflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) herrschender Arbeitsdrücke (pA, pB, pP, pT) bestimmt,
- wobei die Linearisierungseinheit (17) den Linearisierungsfaktor (F) derart bestimmt, dass ein Verhältnis der Ver- Stellgeschwindigkeit (v) zur Differenz (δs) von Sollstellung (s*) und Iststellung (s) des Kolbens (3) unabhängig von der Iststellung (s) des Kolbens (3) und den Arbeitsdrücken (pA, pB, pP, pT) ist.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Linearisierungseinheit (17) zur Bestimmung des Linearisierungsfaktors (F) als weitere Daten Leistungsdaten (pN, QNA, QNB) der Ventilsteuereinheit (7), beidseitig des Kolbens (3) wirksame Arbeitsflächen (AKA, AKB) und beidseitig des Kolbens (3) minimal mögliche wirksame Volumina (VminA, VminB) heranzieht .
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Linearisierungseinheit (17) die weiteren Daten zumindest teilweise als Parameter entgegen nimmt.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Linearisierungseinheit ( 17 ) den Linearisierungsfaktor ( F) gemäß der Beziehung
Figure imgf000017_0001
ermittelt, wobei
- F der Linearisierungsfaktor ist, - K ein frei wählbarer, konstanter Skalierungsfaktor ist,
- AKA die dem sich vergrößernden Arbeitsvolumen (5A) zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens (3) ist,
- AKB die dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) zugewandte Arbeitsfläche des Kolbens (3) ist, - pA der Arbeitsdruck ist, der auf die dem sich vergrößernden Arbeitsvolumen (5A) zugewandte Arbeitsfläche (4A) des Kolbens (3) wirkt,
- pB der Arbeitsdruck ist, der auf die dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) zugewandte Arbeitsfläche (4B) des Kolbens (3) wirkt,
- pP der zuflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) anstehende Arbeitsdruck ist,
- pT der abflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) anstehende Arbeitsdruck ist, - pN ein Nominaldruck der Ventilsteuereinheit (7) ist,
- QNA ein Nennvolumenstrom ist, der in das sich vergrößernde
Arbeitsvolumen (5A) strömt, wenn eine Differenz zwischen dem zuflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) anstehenden Arbeitsdruck (pP) und dem im sich vergrößern- den Arbeitsvolumen (5A) anstehenden Arbeitsdruck (pA) gleich dem Nominaldruck (pN) ist,
- QNB ein Nennvolumenstrom ist, der aus dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) strömt, wenn eine Differenz zwischen dem im sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) anstehenden Arbeitsdruck (pB) und dem abflussseitig der Ventilsteuereinheit (7) anstehenden Arbeitsdruck (pT) gleich dem Nominaldruck (pN) ist,
- hA der Quotient zwischen dem sich vergrößernden Arbeitsvolumen (5A) und der diesem Arbeitsvolumen (5A) zugewand- ten Arbeitsfläche (4A) ist, wobei das sich vergrößernde Arbeitsvolumen (5A) anhand der Iststellung (s) des Kolbens (3) und des für diese Seite des Kolbens (3) minimal möglichen wirksamen Volumens (VminA) ermittelt wird, und - hB der Quotient zwischen dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) und der dem sich verkleinernden Arbeitsvolumen (5B) zugewandten Arbeitsfläche (4B) ist, wobei das sich verkleinernde Arbeitsvolumen (5B) anhand der Iststellung (s) des Kolbens (3) und des für diese Seite des Kolbens (3) minimal möglichen wirksamen Volumens (VminB) ermittelt wird.
7. Regeleinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung ausgebildet ist und mit einem Softwaremodul (12) programmiert ist, so dass sie aufgrund der Programmierung mit dem Softwaremodul (12) nach einem der obigen Ansprüche ausgebildet ist.
8. Softwaremodul, das Maschinencode (14) umfasst, dessen Abarbeitung durch eine an eine Hydraulikzylindereinheit (1) angebundene softwareprogrammierbare Regeleinrichtung (11) bewirkt, dass die Regeleinrichtung (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet wird.
9. Datenträger, auf dem in maschinenlesbarer Form ein Softwaremodul (12) nach Anspruch 8 gespeichert ist.
10. Verwendung einer mittels einer Regeleinrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geregelten Hydraulikzylindereinheit (1) zur Anstellungsregelung eines Walzgerüsts (20) .
PCT/EP2008/061804 2007-10-30 2008-09-05 Regeleinrichtung zum positionsregeln einer hydraulikzylindereinheit mit linearisierungseinheit Ceased WO2009056378A2 (de)

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