WOHLD, Dietrich (Hintere Dorfstr. 3, Rauschenberg, 91462, DE)
TAUTZ, Wilfried (Rotkreuzstr. 28 C, Forchheim, 91301, DE)
WOHLD, Dietrich (Hintere Dorfstr. 3, Rauschenberg, 91462, DE)
| Patentansprüche 1. Regeleinrichtung zum Regeln einer von einer Hydraulikzylindereinheit (1) über ein mechanisches System (6) auf eine Last (2) ausgeübten Istlastkraft (FL), - wobei die Regeleinrichtung (12) einen Lastkraftregler (13), einen Kraftregler (14), einen Lastbeobachter (15) und ein Verzogerungsglied (16) umfasst, - wobei dem Lastkraftregler (13) eine von der Hydraulikzylin- dereinheit (1) auf die Last (2) auszuübende Solllastkraft (FL*) und eine vom Lastbeobachter (15) ermittelte erwartete Istlastkraft (FL' ) zugeführt werden, - wobei dem Kraftregler (14) die Solllastkraft (FL*) , eine von der Hydraulikzylindereinheit (1) auf das mechanische System (6) ausgeübte Kolbenkraft (FK) und eine durch das mechanische System (6) bewirkte Eigenkraft (FE) zugeführt werden, - wobei die Ausgangssignale des Lastkraftreglers (13) und des Kraftreglers (14) zu einem unverzogerten Summensignal (vFM) summiert werden und das unverzogerte Summensignal (vFM) auf eine Ventilsteuereinheit (9) wirkt, mittels derer die Hyd- raulikzylmderemheit (1) verstellt wird, - wobei dem Lastbeobachter (15) die Kolbenkraft (FK), die Ei¬ genkraft (FE) und ein verzögertes Summensignal (vU) zuge- fuhrt werden, - wobei das verzögerte Summensignal (vU) mittels des Verzoge- rungsgliedes (16) durch Verzogern des unverzogerten Summensignals (vFM) erzeugt wird. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Linearisierungsein¬ heit (17) aufweist, mittels derer das unverzogerte Summensignal (vFM) vor dem Zufuhren zur Ventilsteuereinheit (9) line- arisiert wird. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzogerungsglied (16) als PT2-Glied ausgebildet ist. 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastkraftregler (13) als P-Regler oder als PI-Regler ausgebildet ist. 5. Regeleinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftregler (14) als P- Regler oder als PD-Regler ausgebildet ist. 6. Regeleinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Istlastkraft (FL) , die Solllastkraft (FL*), die erwartete Istlastkraft (FL'), die Kolbenkraft (FK) und die Eigenkraft (FE) durch entsprechende Momente ersetzt sind. 7. Regeleinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung ausgebildet ist, die mit einem Softwaremodul (30) programmiert ist, dass das Softwaremodul (30) von der Regeleinrichtung unmittelbar abarbeitbaren Maschinencode (32) umfasst und dass die Ausbildung als Regeleinrichtung nach einem der obigen Ansprüche durch das Abarbeiten des Maschinencodes (32) bewirkt wird. 8. Softwaremodul, das Maschinencode (32) umfasst, der von ei- ner an eine Hydraulikzylindereinheit (1) angebundenen softwareprogrammierbaren Regeleinrichtung (12) unmittelbar abarbeitbar ist und dessen Abarbeitung durch die Regeleinrichtung (12) bewirkt, dass die Regeleinrichtung als Regeleinrichtung (12) nach Anspruch 7 ausgebildet wird. 9. Verwendung einer mittels einer Regeleinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geregelten Hydraulikzylindereinheit (1) zur Kraftregelung eines Schiingenhebers (5) eines Walzwerks . |
Lastkraftregelung einer Hydraulikzylindereinheit mit Lastbeobachter
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zum Regeln einer von einer Hydraulikzylindereinheit über ein mechanisches System auf eine Last ausgeübten Istlastkraft, wobei die Regeleinrichtung einen Kraftregler umfasst, dem eine von der Hydraulikzylindereinheit auf die Last auszuübende
Solllastkraft, eine von der Hydraulikzylindereinheit auf das mechanische System ausgeübte Kolbenkraft und eine durch das mechanische System bewirkte Eigenkraft zugeführt werden, wobei das Ausgangssignal des Kraftreglers auf eine Ventilsteu- eremheit wirkt, mittels derer die Hydraulikzylindereinheit verstellt wird.
Hydraulikzylindereinheiten werden verwendet, um unter Last mechanische Bewegungen vorzunehmen. Sie werden in der Regel kraft- oder positionsgeregelt betrieben. Sowohl im kraftgeregelten Betrieb als auch im positionsgeregelten Betrieb werden möglichst kurze Anregelzeigen angestrebt, um Sollwertanderungen schnell folgen zu können und Störungen schnell ausregeln zu können .
Die Hydraulikzylindereinheit wirkt über ein mechanisches System auf die Last. Das mechanische System umfasst zumindest den Kolben der Hydraulikzylindereinheit, gegebenenfalls auch weitere Einheiten, die zwischen dem Kolben der Hydraulikzy- lmderemheit und der Last angeordnet sind. Das mechanische System bewirkt eine Eigenkraft, die es auf die Hydraulikzy ¬ lindereinheit ausübt. Die Kolbenkraft ergibt sich aus den wirksamen Kolbenflachen und den wirksamen Drucken der Hydraulikzylindereinheit. Im statischen Zustand der Hydraulikzylin- dereinheit unterscheiden sich die Kolbenkraft und die auf die Last wirkende Istlastkraft um die Eigenkraft. Im dynamischen Zustand, also wahrend die Hydraulikzylindereinheit verstellt wird, ist diese Beziehung auf Grund von zusätzlich wirkenden Beschleunigungs- und Reibungskräften jedoch nicht mehr erfüllt.
In technologischer Hinsicht ist die auf das mechanische Sys- tem ausgeübte Kolbenkraft irrelevant. Tatsächlich geregelt werden soll die Lastkraft, also die über das mechanische Sys ¬ tem auf die Last ausgeübte Kraft. In manchen Fallen ist es jedoch nicht möglich, den Istwert der Lastkraft zu messen. In derartigen Fallen wird im Stand der Technik die Kolbenkraft geregelt. Diese Vorgehensweise fuhrt bei „harten", relativ unnachgiebigen Lasten zu guten Regelergebnissen. Bei „weichen", nachgiebigen Lasten hingegen ergibt sich eine relativ schlechte Regeldynamik. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer eine hohe Regeldynamik erreicht werden kann, obwohl die Lastkraft selbst nicht gemessen wird. Die Aufgabe wird durch Regeleinrichtung zum Regeln einer von einer Hydraulikzylindereinheit über ein mechanisches System auf eine Last ausgeübten Lastkraft mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin- dungsgemaßen Regeleinrichtung sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche 2 bis 7.
Bei der erfmdungsgemaßen Regeleinrichtung ist vorgesehen,
- dass die Regeleinrichtung einen Lastkraftregler, einen
Kraftregler, einen Lastbeobachter und ein Verzogerungsglied umfasst,
- dass dem Lastkraftregler eine von der Hydraulikzylinderein- heit auf die Last auszuübende Solllastkraft und eine vom Lastbeobachter ermittelte erwartete Istlastkraft zugeführt werden,
- dass dem Kraftregler die Solllastkraft, eine von der Hyd- raulikzylmderemheit auf das mechanische System ausgeübte Kolbenkraft und eine durch das mechanische System bewirkte Eigenkraft zugeführt werden, - dass die Ausgangssignale des Lastkraftreglers und des Kraftreglers zu einem unverzogerten Summensignal summiert werden und das unverzogerte Summensignal auf eine Ventil- steueremheit wirkt, mittels derer die Hydraulikzylmder- einheit verstellt wird,
- dass dem Lastbeobachter die Kolbenkraft, die Eigenkraft und ein verzögertes Summensignal zugeführt werden und
- dass das verzögerte Summensignal mittels des Verzogerungs- gliedes durch Verzogern des unverzogerten Summensignals er- zeugt wird.
Wenn die Hydraulikzylindereinheit in einem relativ engen Verfahrbereich bewegt wird, ist die obenstehende Ausgestaltung völlig ausreichend. Wenn die Hydraulikzylindereinheit über einen großen Verfahrbereich bewegt wird, kann die Regeldyna- mik dadurch erheblich verbessert werden, dass die Regeleinrichtung eine Linearisierungseinheit aufweist, mittels derer das unverzogerte Summensignal vor dem Zufuhren zur Ventil- Steuereinheit linearisiert wird. Denn auf Grund der Lineari- sierungsemheit kann erreicht werden, dass die Dynamik der Hydraulikzylindereinheit unabhängig von der Arbeitsstellung der Hydraulikzylindereinheit stets in einem optimalen Bereich gehalten wird. In manchen Fallen kann es ausreichen, die Linearisierungseinheit derart auszugestalten, dass sie eine sogenannte Schmetterlingskurve realisiert. Bevorzugt ist jedoch, die Lineari- sierungsemheit derart auszugestalten, wie es aus der
DE 10 2007 051 857 B3 bekannt ist.
Das Verzogerungsglied dient dazu, die Dynamik der Ventilsteu- eremheit nachzubilden. In der Regel ist das Verzogerungsglied zu diesem Zweck als PT2-Glied (oder hoher) ausgebildet. Die Ventilsteueremheit bewirkt im Zusammenwirken mit der
Hydraulikzylindereinheit ein Integralverhalten der Regelung. Sowohl bezuglich des Lastkraftreglers als auch bezuglich des Kraftreglers ist es daher ausreichend, sie als P-Regler (= Proportionalregler) auszubilden. Falls erforderlich, kann der Lastkraftregler jedoch alternativ als PI-Regler (Propor- tional-Integral-Regler) ausgebildet sein, der Kraftregler als PD-Regler (Proportional-Differenzial-Regler) .
Die Istlastkraft ist eine translatorische Große. Gleiches gilt für die Solllastkraft, die erwartete Istlastkraft, die Kolbenkraft und die Eigenkraft. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ebenso bei rotatorischen Systemen einsetzbar. In die- sem Fall treten an die Stelle der genannten Kräfte die ent ¬ sprechenden Momente. Verfahrwege (und deren zeitliche Ableitungen) sind in diesem Fall durch Winkel (und deren zeitliche Ableitungen) zu ersetzen. Es ist möglich, die erfmdungsgemaße Regeleinrichtung schaltungstechnisch zu realisieren. Üblicherweise ist die Regeleinrichtung jedoch als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung ausgebildet, die mit einem Softwaremodul programmiert ist. Das Softwaremodul umfasst von der Regeleinrichtung un- mittelbar abarbeitbaren Maschinencode. Durch das Abarbeiten des Maschinencodes wird die Ausbildung der Regeleinrichtung als erfmdungsgemaße Regeleinrichtung bewirkt. Die vorliegende Erfindung betrifft daher weiterhin ein Softwaremodul, das Maschinencode umfasst, der von einer an eine Hydraulikzylm- dereinheit angebundenen softwareprogrammierbaren Regeleinrichtung unmittelbar abarbeitbar ist und dessen Abarbeitung durch die Regeleinrichtung bewirkt, dass die Regeleinrichtung als erfmdungsgemaße Regeleinrichtung ausgebildet wird. Der Einsatz der erfmdungsgemaßen Regeleinrichtung ist stets dann sinnvoll, wenn mittels der Hydraulikzylindereinheit eine weiche, nachgiebige Last verstellt werden soll. Em Beispiel einer derartigen Last ist die Belastung eines Schiingenhebers eines Walzwerks. Die vorliegende Erfindung betrifft daher weiterhin die Verwendung einer mittels einer erfindungsgema- ßen Regeleinrichtung geregelten Hydraulikzylindereinheit zur Kraftregelung eines Schiingenhebers eines Walzwerks. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen in Verbin ¬ dung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Pπnzipdarstellung : FIG 1 eine Hydraulikzylindereinheit mit Last, FIG 2 eine erfmdungsgemaße Regeleinrichtung,
FIG 3 einen Lastbeobachter und
FIG 4 eine Ausgestaltung der Regeleinrichtung von FIG 2.
Gemäß FIG 1 soll mittels einer Hydraulikzylindereinheit 1 eine Last 2 entsprechend technologischen Erfordernissen einge- stellt werden. Gemäß FIG 1 wird die Last 2 durch eine Zugspannung Z bewirkt, die ein zwischen zwei Walzgerusten 3 eingespanntes Band 4 auf einen Schiingenheber 5 des Walzwerks ausübt. Das Band 4 ist in der Regel ein Metallband, bei ¬ spielsweise ein Stahl- oder Aluminiumband. Das Walzwerk ist in der Regel ein Warmwalzwerk.
Die obenstehend in Verbindung mit FIG 1 erläuterte Anwendung ist derzeit bevorzugt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschrankt. Sie ist vielmehr universell ein- setzbar.
Die Hydraulikzylindereinheit 1 wirkt über ein mechanisches System 6 auf die Last 2. Das mechanische System 6 umfasst zumindest den Kolben 7 der Hydraulikzylindereinheit 1. Bei der - rein beispielhaften - Anwendung von FIG 1 umfasst das mechanische System 6 zusatzlich eine Rolle 8, die mittels der Hydraulikzylindereinheit 1 an das Band 4 angestellt wird.
Die Hydraulikzylindereinheit 1 wird mittels einer Ventilsteu- eremheit 9 verstellt. Die Ventilsteuereinheit 9 umfasst in der Regel einen Servoventilantπeb 10 und ein Servoventil 11. Das Servoventil 11 kann alternativ als Zweiwegeventil oder als Vierwegeventil ausgebildet sein. Beide Ausgestaltungen sind Fachleuten allgemein bekannt und gelaufig. Der Ventilsteuereinheit 9 wird ein Steuersignal u zugeführt, das von einer Regeleinrichtung 12 (siehe FIG 2) ermittelt wird. Mittels der Regeleinrichtung 12 wird eine Istlastkraft FL gere- gelt, welche die Hydraulikzylindereinheit 1 über das mechanische System 6 auf die Last 2 ausübt. Der Aufbau und die Wir ¬ kungsweise der Regeleinrichtung 12 sind der Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Sie werden nachfolgend in Verbindung mit FIG 2 erläutert.
Gemäß FIG 2 umfasst die Regeleinrichtung 12 einen Lastkraftregler 13, einen Kraftregler 14, einen Lastbeobachter 15 und ein Verzogerungsglied 16. Dem Lastkraftregler 13 werden eine Solllastkraft FL* und eine erwartete Istlastkraft FL' zugeführt. Die Solllastkraft FL* ist die Kraft, die von der Hydraulikzylindereinheit 1 auf die Last 2 ausgeübt werden soll. Die erwartete Istlastkraft FL' wird vom Lastbeobachter 15 ermittelt.
Der Lastkraftregler 13 regelt die Lastkraft FL. Der Lastkraftregler 13 ermittelt zu diesem Zweck anhand der Differenz von Solllastkraft FL* und erwarteter Istlastkraft FL' ein Ausgangssignal vLC, nachfolgend Lastausgangssignal genannt. Der Lastkraftregler 13 ist üblicherweise entweder als P- Regler oder als PI-Regler ausgebildet.
Dem Kraftregler 14 werden die Solllastkraft FL*, eine Kolbenkraft FK und eine Eigenkraft FE zugeführt. Die Kolbenkraft FK ist diejenige Kraft, die von der Hydraulikzylindereinheit 1 auf das mechanische System 6 ausgeübt wird. Sie ergibt sich in allgemein bekannter Weise durch die wirksamen Kolbenflachen des Kolbens 7 und die auf die wirksamen Flachen wirkenden Drucke. Die Eigenkraft FE berücksichtigt insbesondere die Gewichtskraft, welche das mechanische System 6 - gemäß Aus- fuhrungsbeispiel also der Kolben 7 und die Rolle 8 - ausüben. Der Kraftregler 14 regelt die Kolbenkraft FK. Der Kraftregler 14 ermittelt zu diesem Zweck die Summe von Solllastkraft FL* und Eigenkraft FE, wobei von dieser Summe die Kolbenkraft FK subtrahiert wird. Der Kraftregler 14 ermittelt ein Ausgangs- Signal vFC, nachfolgend Kraftausgangssignal genannt. Der Kraftregler 14 ist üblicherweise als P-Regler oder als PD- Regler ausgebildet. Der Kraftregler 14 stabilisiert die Regelung und ermöglicht eine höhere Dynamik. Die Ausgangssignale vLC, vFC des Lastkraftreglers 13 und des Kraftreglers 14 werden zu einem unverzogerten Summensignal vFM summiert. Das unverzogerte Summensignal vFM wirkt auf die Ventilsteuereinheit 9. Es ist möglich, das unverzogerte Summensignal vFM der Ventilsteuereinheit 9 direkt zuzuführen. In diesem Fall ist das Steuersignal u mit dem unverzogerten Summensignal vFM identisch. In vielen Fallen jedoch wird das unverzogerte Summensignal vFM einer Linearisierungseinheit 17 zugeführt, die das unverzogerte Summensignal vFM lineaπsiert. In diesem Fall entspricht das Steuersignal u dem von der Linearisierungseinheit 17 ermittelten Signal.
Die Linearisierungseinheit 17 kann nach Bedarf ausgebildet sein. Derzeit ist bevorzugt, die Linearisierungseinheit 17 so auszubilden, wie es in der DE 10 2007 051 857 B3 ausführlich beschrieben ist.
Die Linearisierungseinheit 17 ist der Ventilsteuereinheit 9 unmittelbar vorgeordnet. Sie kompensiert Nichtlmearitaten des Hydrauliksystems.
Damit der Lastbeobachter 15 die erwartete Istlastkraft FL' ermitteln kann, werden dem Lastbeobachter 15 die Kolbenkraft FK, die Eigenkraft FE und ein verzögertes Summensignal vU zu ¬ geführt. Das verzögerte Summensignal vU wird mittels des Ver- zogerungsgliedes 16 durch Verzogern des unverzogerten Summensignals vFM ermittelt. Das Verzogerungsglied 16 bildet die Dynamik der Ventilsteuer- einheit 9 nach. Dadurch wird erreicht, dass das verzögerte Summensignal vU mit der Kolbenkraft FK synchronisiert ist. Das Verzogerungsglied 16 kann nach Bedarf ausgebildet sein, sofern es die soeben erläuterte Funktionalität bewirkt. In der Regel ist das Verzogerungsglied 16 als PT2-Glied ausge ¬ bildet.
Der Lastbeobachter 15 kann ebenfalls nach Bedarf ausgebildet sein. Entscheidend ist, dass er die Istlastkraft FL nachbil ¬ det. Der Lastbeobachter 15 wirkt somit als entsprechender Softsensor, der anhand (mindestens) einer gemessenen Große (nämlich der Kolbenkraft FK) die nicht gemessene Istlastkraft FL nachbildet.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des Lastbeobachters 15 sind Fachleuten allgemein bekannt. Zu seiner Implementierung gibt es mehrere Möglichkeiten, die Fachleuten ebenfalls bekannt sind. Eine mögliche Ausgestaltung des Lastbeobachters 15 wird nachfolgend in Verbindung mit FIG 3 erläutert.
Gemäß FIG 3 umfasst der Lastbeobachter 15 die in FIG 3 dargestellte Struktur. Die Elemente 18 bis 22 sind Multiplizierer. Das Element 23 ist ein Dividierer. Die Elemente 24 bis 26 sind Integratoren.
Der Parameter c entspricht der Federkonstanten der verwendeten Hydraulikflussigkeit im Arbeitspunkt der Hydraulikzylindereinheit 1. Der Parameter c kann eine Konstante sein oder vom Arbeitspunkt der Hydraulikzylindereinheit 1 abhangen.
Wenn die Linearisierungseinheit 17 vorhanden ist, kann bei ¬ spielsweise die Linearisierungseinheit 17 den Parameter c ermitteln und ihn dem Lastbeobachter 15 zur Verfugung stellen. Der Parameter c kann jedoch ebenso anderweitig ermittelt wer- den. kVF und m sind Parameter, die vorzugsweise bei der Inbetriebnahme der Regeleinrichtung 12 einmalig eingestellt und danach beibehalten werden. Alternativ können sie im laufenden Betrieb variiert werden. kl bis k3 sind Parameter, mittels derer das Einschwingverhal- ten des Lastbeobachters 15 eingestellt wird.
Die Regeleinrichtung 12 ist entsprechend FIG 4 vorzugsweise als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung 12 ausgebildet. Die Regeleinrichtung 12 ist daher mittels eines Softwaremo- duls 30 programmiert. Das Softwaremodul 30 kann der Regelein ¬ richtung 12 beispielsweise mittels eines Datenträgers 31 zugeführt werden, auf dem das Softwaremodul 30 in (ausschließlich) maschinenlesbarer Form gespeichert ist. Als Datenträger 31 kommt prinzipiell ein beliebiger Datenträger in Frage. Dargestellt ist - rein beispielhaft - in FIG 4 ein USB- Memorystick .
Das Softwaremodul 30 umfasst Maschinencode 32. Der Maschinen ¬ code 32 ist von der Regeleinrichtung 12 unmittelbar abarbeit- bar. Das Abarbeiten des Maschinencodes 32 durch die Regeleinrichtung 12 bewirkt, dass die Regeleinrichtung 12 die Hydraulikzylindereinheit 1 so regelt, wie dies vorstehend erläutert wurde. Die Programmierung der Regeleinrichtung 12 mit dem Softwaremodul 30 bzw. die Abarbeitung des Maschinencodes 32 durch die Regeleinrichtung 12 bewirkt also die entsprechende Ausbildung der Regeleinrichtung 12.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Regeleinrichtung 12 erläutert, bei welcher die Istlastkraft FL, die Solllastkraft FL*, die erwartete Istlastkraft FL', die
Kolbenkraft FK und die Eigenkraft FE ausgewertet werden. Die genannten Kräfte FL, FL*, FL', FK und FE konnten jedoch durch korrespondierende rotatorische Großen ersetzt sein. Ein Beispiel eines derartigen Falles ist ein sogenannter Dreh- Looper, wie er in Walzwerken verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann eine hohe Dynamik erreicht werden, obwohl die Ist- lastkraft FL nicht direkt gemessen wird. Bei Vorhandensein der Linearisierungseinheit 17 ergibt sich die hohe Dynamik sogar über den gesamten Verfahrbereich der Hydraulikzylindereinheit 1. Weiterhin ist die erfindungsgemaße Ausgestaltung der Regeleinrichtung 12 oftmals ohne großen Aufwand bei bestehenden Regeleinrichtungen nachrustbar. Dies gilt beson ¬ ders, wenn die Regeleinrichtung 12 als softwareprogrammierbare Regeleinrichtung 12 ausgebildet ist. Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefugten Ansprüche bestimmt sein.
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