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

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

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

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.