Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs, der einen hydraulischen Verbraucher mit einem positionierbaren Kolben in einem Zylinder umfasst, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Hintergrund der Erfindung

Bei einer elektrohydraulischen Achse handelt es sich um einen hydraulischen Antrieb mit einer Pumpe (die in der Regel mittels eines elektrischen Motors bzw. Antriebs betrieben wird) und einem hydraulischen Zylinder, bei dem eine elektrische bzw. elektronische Regelung beispielsweise der Position des Zylinderkolbens möglich ist. Solche elektrohydraulische Achsen werden beispielsweise für sog. Tiefziehpressen, Spritzgieß-, Druckgußmaschinen oder auch bei anderen Umformtechnikmaschinen verwendet, ebenso wie beispielsweise zum Bewegen schwerer Lasten oder Maschinenteile. Ebenso kann anstelle einer Pumpe z.B. ein Druckmittelspeicher verwendet werden - oder beide in Kombination. In diesem Zusammenhang kann dann auch von einem hydraulischen Antrieb gesprochen werden.

Meist sind bei solchen (elektro-)hydraulischen Achsen ablösende Kraft-Positions- Regelungen vorgesehen, d.h. es findet beispielsweise je nach Betriebspunkt eine Kraftregelung oder eine Positionsregelung statt. Anstelle einer Kraftregelung kann auch eine Druckregelung vorgesehen sein, welche aufgrund des Zusammenhangs zwischen Kraft und Druck über die Angriffsfläche des Drucks, beispielsweise in einem hydraulischen Zylinder, äquivalent sind. An Stelle der Positionsregelung kann auch eine Geschwindigkeitsregelung treten.

Bei solchen Regelungen kann eine Regelung des Fördervolumens und/oder der Drehzahl der Pumpe (bzw. des antreibenden Motors) erfolgen. Es kann aber beispielsweise auch eine Regelventileinrichtung zur Volumenstromänderung der Hydraulikflüssigkeit im Zulauf und/oder im Ablauf des Zylinders verwendet werden.

Diese Komponenten weisen für sich genommen Beschränkungen in ihrer Nutzung auf, z.B. maximale Drücke, Totzeiten oder Stellratenbeschränkungen. Begrenzungen und Komponenten können hierfür auch in Modellen beschrieben und intelligent in das Regeldesign eingearbeitet werden. Grundsätzlich stellen bei solchen Hydrauliksystemen starke Nicht- Linearitäten, Totzeiten und Beschränkungen ein Problem für die Regelung und Steuerung dar. Um diese systematischen Beschränkungen in der Steuerung und Regelung zu berücksichtigen, können kontinuierliche Optimierungsprobleme in Echtzeit gelöst werden. Hier finden u.a. Ansätze der modellprädiktiven Regelung (MPC) und des Reinforcement Learning (RL) Einsatz, die aber hohe Rechenleistung während der Laufzeit benötigen. Bei Systemen, die eine hohe Bandbreite aufweisen sollen, ist dies nicht mehr sinnvoll lösbar, jedenfalls nicht für hohe Abtastraten.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs, der einen hydraulischen Verbraucher mit einem positionierbaren Kolben in einem Zylinder umfasst. Dieser weist zwei durch den Kolben getrennte Kammern auf, die hier beispielsweise mit A und B bezeichnet werden. Jeder Kammer ist dabei einer der Anschlüsse (A, B) zugeordnet. Bei dem hydraulischen Antrieb kann es sich insbesondere um eine hydraulische Achse handeln. Dabei ist der Zylinder an einem Anschluss (z.B. A) mit einem Druckmittelspeicher (hierbei kann es sich insbesondere um einen Niederdruckspeicher handeln) und / oder einer Pumpe und an einem anderen Anschluss (z.B.) über eine Regelventileinrichtung mit einer Druckmittelsenke verbunden. Als Druckmittelsenke kommt hierbei insbesondere ein Tank in Betracht. Denkbar ist aber auch, dass - durch entsprechende Verschaltung - die erste Seite (also Kammer A) als Druckmittelsenke verwendet wird (Regenerativschaltung). Es wird dann eine Position oder Geschwindigkeit des Kolbens unter Verwendung bzw. im Rahmen einer modellbasierten Regelung geregelt, in der eine Stellung der Regeleinrichtung vorgegeben wird. Die Regeleinrichtung kann ein oder mehrere stetig verstellbare Ventile umfassen.

Hierbei wird bevorzugt ein inverses Streckenmodell (oder inverses Systemmodell) des hydraulischen Antriebs verwendet, um unter Verwendung der Regeleinrichtung einen Sollwert für eine (bremsende) Kraft auf den Kolben einzustellen, insbesondere einzuregeln. Die Regeleinrichtung, bspw. ein Stetigventil wird dabei insbesondere in einem geschlossenen Regelkreis eingesetzt, d.h. auch die Einstellung des Schiebers im Ventil kann im geschlossenen (unterlagerten) Regelkreis mit Rückführung eines Istwerts der Position erfolgen. Bei einem inversen Modell werden reale Ausgangsgrößen (z.B. Position) als Modelleingänge und reale Eingangsgrößen (z.B. Volumenströme oder Drücke) als Modellausgänge verwendet.

Mit einer solchen Positions /- Geschwindigkeitsregelung kann besonders gut und schnell auf verschiedene Phasen bzw. Übergänge zwischen verschiedenen Phasen bei z.B. dem Betrieb eines Gießzylinders reagiert werden. Zudem ist eine solche Regelung besonders einfach und schnell parametrierbar.

Zum Erreichen eines Sollwerts für die Kraft auf den Kolben wird bevorzugt über eine Planung von Solldrücken im hydraulischen Antrieb und daraus resultierenden Stellungen des Stetigventils auf einen Sollverlauf der Stellung des Stetigventils geschlossen. Die Planung der Solldrücke umfasst hierbei insbesondere, dass Differenzdrücke zwischen den beiden Anschlüssen geplant werden oder, dass Drücke auf der einen Seite gemessen und auf der anderen Seite geplant werden. Dies stellt damit eine Art Vorsteuerung oder eine hybride Vorsteuerung und Regelung dar.

Die Größen, für die bei dieser Regelung die Istwerte benötigt werden, sind dabei insbesondere die Position des Kolbens sowie die beiden Drücke auf Seiten der zwei Anschlüsse (A und B). Diese können z.B. mittels geeigneter Sensoren erfasst werden. Im Rahmen der modellbasierten Regelung können dann aus der Position des Kolbens auch dessen Geschwindigkeit und Beschleunigung ermittelt werden. Daraus können dann wiederum gewünschte Durchflussmengen (Volumenströme) auf den beiden Seiten ermittelt werden, die dann entsprechend vorgegeben werden. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass bei einer modellbasierten Regelung anhand eines Modells des Systems (hier wird, wie erwähnt, insbesondere ein inverses Streckenmodell verwendet) eine Trajektorie, d.h. Verlauf von Größen (in diesem Fall der Position) voraus-, sowie online berechnet werden kann. Regelgrößen werden bei der modellbasierten Regelung auch als Zustandsvariablen bezeichnet und es können Zustandsbeschränkungen berücksichtigt werden. Für eine nähere Beschreibung des Modells sei auch auf die Figurenbeschreibung verwiesen.

Durch die Anbindung des einen Anschlusses (A-Seite) z.B. über ein Schaltventil an den Druckmittelspeicher kann dort zumindest in erster Näherung von einem konstanten Druckausgegangen oder hub- und geschwindigkeitsabhängig vorgerechnet werden, sodass nur der Druck auf der anderen Seite (B-Seite) relevant ist. Die Trajektorienplanung berücksichtigt damit zugrundeliegende mechanische Differentialgleichungen, also insbesondere Druck, Position und Geschwindigkeit. Die Planung der Drucksollwerte kann sich hierbei auf die Planung des B-seitigen Druckes beschränken, da die andere Seite direkt auf den Druckmittelspeicher geschaltet ist, und somit dem Speicherdruck (zumindest nahezu) entspricht. (Dynamische Einflüsse werden hierbei über eine Messung des A-seitigen Druckes in der Berechnung in jedem Zeitschrift berücksichtigt)

Bei der erwähnten Vorgabe, insbesondere im Rahmen der unterlagerten Regelung, der Stellung des Stetigventils wird bevorzugt ebenfalls eine Vorsteuerung vorgenommen, welche sich je nach Wahl des Stetigventils - direktgesteuertes oder pilotiertes Stetigventil - unterscheiden kann. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Sollwert für eine Position der Hauptstufe des Stetigventils vorgesteuert. Das hierbei zugrundeliegende System kann z.B. als PT2- Regelsytem mit Totzeit und mit Zustandsbeschränkung beschrieben werden. Die Vorsteuerung nutzt dann als Eingang den Ventilhauptstufensollwert. Die Dynamik des Stetigventils kann auf diese Weise besonders gut berücksichtigt werden.

Hierzu ist anzumerken, dass die Vorsteuerung solange wirksam ist, als die inneren Zustände des Stetigventils nicht in Sättigung sind; es wird aber stets versucht, solange als möglich das Stetigventil in der Sättigung zu steuern. Sättigung bedeutet hierbei insbesondere, eine Pilotstufe solange wie möglich voll zu öffnen. Mit einer (üblichen) Regelung würde dies nur sehr kurzfristig erreicht werden, da das Stellsignal, welches über dem Maximalöffnungswert liegt, verloren ist. Mit der Vorsteuerung hingegen gewinnt das System an Dynamik ohne instabil zu werden. Damit kann die Durchflussmenge auf der B-Seite (bzw. auf der Seite des Stetigventils) hinreichend genau gestellt bzw. vorgegeben werden.

Ein besonderer Vorteil ist hierbei auch, dass ein an sich nicht flaches System trotzdem invertiert werden kann (mit dem inversen Streckenmodell). Ein System mit Hydraulik-Zylinder ist grundsätzlich als nicht flach anzusehen, da die Erzeugung der Aktorkraft (diese fließt in die mechanische Differentialgleichung ein) mehrdeutig ist, d.h. eine bestimmte Druckdifferenz kann mit vielen verschiedenen Kombinationen von Drücken auf den beiden Seiten erstellt werden. Insbesondere im Fall einer Druckgussschaltung (oder allgemein mit der eingangs erwähnten Beschaltung) funktioniert die Invertierung aber dennoch, da im Zylinder die Drücke vorgespannt sind und die Kammer auf Seite des Druckmittelspeichers (A-Seite) direkt über z.B. ein Schaltventil an dem Speicherdruck hängt. Deshalb kann in der Zustandsraumdarstellung die Annahme getroffen werden, dass der Druck in dieser Kammer des Zylinders konstant ist. Daher hängt der Kraftaufbau allein vom Druck in der anderen Kammer (B-Seite) ab. Da jedoch der Druckmittelspeicher (in gewissem Rahmen) eine eigene Dynamik aufweist und der Druck in der Realität somit nicht konstant ist, kann noch eine weitere Korrektur vorgenommen werden, um den Fehler der Vorsteuerung zu minimieren. Dadurch, dass z.B. in der Kammer auf Seiten des Druckmittelspeichers (A-Seite) der Druck gemessen bzw errechnet wird, kann dieser zusätzlich in der Planung des Druckes in der anderen Kammer bzw. der anderen Seite (B-Seite) verwendet werden. Somit kann die Ventilöffnung bzw. Stellung des (B-seitigen) Stetigventils als alleinige Stellgröße (bzw. Stellglied) genutzt werden.

Auf diese Weise kann also mit einem System- und Lastmodell ein hochdynamischer Prozess, wie z.B. derjenige des Druckgießens von Aluminium, auch mit einer nicht optimalen Dynamik eines Regelkreises der beteiligten Systemkomponenten beherrscht werden. Es wird nicht mehr alles geregelt, sondern (über das Modell) teils vorgesteuert, und zwar insbesondere unter Berücksichtigung bekannter Stellgrößenbeschränkungen und Dynamiklimitierungen. Es wird sozusagen ein schaltbarer Planungsfilter-Algorithmus bereitgestellt, der eine Zustandstrajektorienplanung in Echtzeit ermöglicht und insbesondere die Druck- Vorspannungen des Zylinders, den Speicherdruck und die Totzeit/Stelldynamik des Stellgliedes (also des Stetigventils) berücksichtigt.

Außerdem kann durch die erwähnten Annahmen und Linearisierungen des zugrundeliegenden Systemmodells eine flachheitsbasierte Vorsteuerregel implementiert werden, die die restliche Fehlerdynamik hinreichend klein werden lässt. Damit ist eine nachvollziehbare Pa- rametrierung mit möglichst geringer Nutzung von Look-Up-Tabellen oder Kurven möglich. Zusätzlich kann damit die Entwicklung von größeren und kleineren Zylindereinheiten deutlich verbessert werden, da das zugrundliege Vorgehen (das z.B. in Software abgebildet ist) im Grunde gleichbleibt und nur die Modellparameter veränderlich sind bzw. verändert werden müssen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Ventil deutlich dynamischer als bisher gesteuert werden kann. Solange sich das Ventil im Kleinsignalbereich befindet kann die Ansteuerzeit halbiert werden. Ein nicht flaches System wird über das vorgeschlagene Verfahren bzw. die darin gemachte Anpassung trotzdem durch eine Vorsteuerung steuerbar.

Ergänzend können im Rahmen einer Überwachung anhand des Modells des hydraulischen Antriebs z.B. auch bestimmte Werte von Größen mit entsprechenden Messwerten verglichen werden, was als ein "Condition Monitoring" vorgenommen werden kann. Zudem können die Effizienz und Präzision auch mittels einer variablen Getriebeübersetzung gesteigert werden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer hydraulischen Achse, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt schematisch einen hydraulischen Antrieb, der sich zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet

Figur 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform,

Figur 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines hydraulischen Antriebs, der sich zur Druckführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet und

Figur 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines hydraulischen Antriebs, der sich zur Druckführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

In Figur 1 ist schematisch ein hydraulischer Antrieb 100 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, wie es auch nachfolgend erläutert werden soll. Der hydraulische Antrieb 100 weist vorliegend zwei Druckmittelspeicher 110 und 112 auf, wobei es sich beim Druckmittelspeicher 110 insbesondere um einen Niederdruckspeicher (z.B. mit einem Druck unter 300 bar, z.B. zwischen 170 bar und 200 bar), bei dem Druckmittelspeicher 112 insbesondere um einen Hochdruckspeicher (mit einem Druck von z.B. mehr als 400 bar) handelt.

Weiterhin sind die Druckmittelspeicher 110, 112 mit einem hydraulischen Verbraucher 130 verbindbar, bei dem es sich vorliegend um einen Zylinder 132 mit einem positionierbaren Kolben 134 handelt. Eine Position des Kolbens bzw. eines Referenzpunkts dort ist mit x bezeichnet. Mittels des Kolbens kann z.B. eine Last 136 bewegt werden. Der Zylinder 132 ist an einem Anschluss A über ein als Schaltventil ausgebildetes Ventil 144 mit dem Druckmittelspeicher 110 (Niederdruckspeicher) und über ein Stetigventil 146 mit dem Druckmittelspeicher 112 (Hochdruckspeicher) verbindbar. Es versteht sich, dass während eines Betriebs bevorzugt nur einer der beiden Druckmittelspeicher verbunden ist, wobei vorliegend insbesondere eine Anbindung des Druckmittelspeichers 110 (Niederdruckspeicher), dann bei geöffnetem Schaltventil 144, betrachtet wird.

Weiterhin ist der Zylinder 132 an einem Anschluss B über ein Stetigventil 140 mit einem Tank 120 für Hydraulikfluid verbunden. Eine Stellung eines Schiebers des Stetigventils 140 ist mitj; bezeichnet. Ebenso kann der Zylinder 132 an dem Anschluss B über ein Stetigven- til 142 mit dem Anschluss A verbunden werden. Im vorliegenden Fall soll aber insbesondere die gezeigte Situation, in der das Stetigventil 142 geschlossen ist, betrachtet werden.

Grundsätzlich können aber z.B. durch geeignetes Schalten oder Umschalten der Ventile verschiedene Beschaltungen für verschiedene Phasen eines Betriebs des hydraulischen Antriebs 100 realisiert werden, wie sie z.B. im Rahmen eines Druckgießens von Aluminium verwendet werden.

In dem Zylinder 132 bzw. am Kolben 134 sind die A-seitige Kolbenfläche mit AA und die ringförmige, B-seitige Kolbenfläche mit AB bezeichnet. Ein Druck auf der A-Seite - im Kolbenraum - beträgt PA und ein Druck auf der B-Seite - im Ringraum - beträgt PB. Ein Förderstrom bzw. eine Durchflussmenge in den bzw. aus dem Zylinder 132 sind auf der A-Seite mit QA und auf der B-Seite mit QB bezeichnet.

Über eine als Steuereinheit ausgebildete Recheneinheit 150 können z.B. die Ventile 140, 142, 144 sowie 146 angesteuert werden. Der hydraulische Antrieb 100 kann somit als hydraulische Achse verwendet werden.

In Figur 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zur Regelung der Position x des Kolbens wird ein Zustandsregler 210 mit einer flachheitsbasierten Vorsteuerung 210 verwendet, der z.B. auf der Recheneinheit 150 ausgeführt werden kann, und der sich eines inversen Modells bzw. Stre- ckenmodells 200 des hydraulischen Antriebs 100 bedient. Es werden dabei Sollwerte für Zustandsgrößen (eine Solltrajektorie) bestimmt, die hier insbesondere die Position x des Kolbens, aber auch deren zeitliche Ableitung x (Geschwindigkeit) und einen Druck pA und / oder pB umfassen. Diese werden an den Zustandsregler 210 sowie die Vorsteuerung 220 übergeben. Dabei wird aus dem Sollwert für die Position x dann ein Wert für die Stellung y des Stetigventils 140 ermittelt.

Im Rahmen der erwähnten Trajektorienplanung wird der Sollwert für die Position x des Kolbens z.B. mit n-ter Ordnung tiefpassgefiltert, wodurch dann n-Ableitungen des Signales des Sollwertes erhalten werden. Hierzu gehört dann z.B. die Geschwindigkeit x. Der Druck p - hier wird, wie schon erwähnt, nur der Druck auf der B-Seite berücksichtigt, da der Druck auf der A-Seite als konstant angenommen werden kann (ist aber auch mit beiden Drücken möglich) - kann aus der Geschwindigkeit und der Beschleunigung bestimmt werden. Die Filterparameter werden bevorzugt derart gewählt, dass die Dynamik es Zielsystems (des hydraulischen Antriebs) durch eine vorhandene Stellenergie (aus dem Druckmittelspeicher) erreicht werden kann.

Sobald dann abhängig vom inversen Modell 200 des Systems die richtige Stellgröße^ (die Stellung des Stetigventils) bestimmt werden kann - mittels einer Volumenstromgleichung kann anhand eines Solldrucks auf der B-Seite z.B. ein Sollwert für den Volumenstrom QB auf der B-Seite bestimmt werden, woraus wiederum ein Sollwert für die Stellung y bestimmt werden kann -, kann das System derart gesteuert werden sodass die Position mit sehr geringer Abweichung nachgefahren werden kann. Eine Phasenverschiebung durch die Totzeit des Systems bleibt erhalten.

Diese Stellung y wird im Rahmen einer unterlagerten Regelung, in dem eine Pilotstufe 140.1 und eine Hauptstufe 140.2 berücksichtigt werden, umgesetzt, wodurch Istwerte für eine Kraft F und eine Geschwindigkeit x des Kolbens resultieren, die wiederum einen Istwert x _ist der Position ergeben. Im Rahmen dieser unterlagerten Regelung wird ebenfalls eine Vorsteuerung vorgenommen, und zwar bei der Stellung bzw. Position der Hauptstufe 140.2.

Die Figuren 3 und 4 unterscheiden sich bezüglich dem Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht von der Figur 1. Die Figuren 3 und 4 zeigen lediglich eine alternative Variante zum Hochdruckspeicher 112 auf, so dass die Bezugszeichen im Wesentlichen gleich sind. Der in Figur 3 und 4 schematisch dargestellte hydraulische Antrieb unterscheidet sich zu dem in Figur 1 dargestellten hydraulischen Antrieb dahingehend, dass anstelle des Hochdruckspeichers 112 ein Druckübersetzer 152 - auch Multiplikatorzylinder genannt - eingesetzt wird, der beispielsweise als Differentialzylinder ausgeführt ist. Der Aufbau derartiger Druckübersetzer 152 ist bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. Erforderlich ist hierbei ein weiterer Niederdruckspeicher 111 , der über ein Speicherabsperrventil 146, 148 mit dem Druckübersetzer-Druckraum verbindbar ist, um diesen bei Verbindung mit dem Niederdruckspeicher 111 in Unterstützungsrichtung des Zylinders 132 zu spannen.

Dem Druckübersetzer 152 und dem Zylinder 132 ist eine Regelventileinrichtung zugeordnet, die sich zur Regelventileinrichtung in Fig. 1 , die in zwei voneinander unabhängig betätigbare Stetigventile 140, 142 aufgelöst ist, dahingehend unterscheidet, dass ein weiteres Stetigventil 146, 148 im Ablauf des Druckübersetzers 152 angeordnet ist. Ein Rückschlagventil 143, das bspw. auch als Logikventil ausgeführt sein kann, sorgt beim Druckaufbau im Kolbenraum für schnelles Schließen vom Kolbenraum 132 zum Niederdruckspeicher 110.

Die Regelung des Druckaufbaus wird über das Stetigventil 146, in Figur 3 angeordnet im Ablauf des Druckübersetzers und in Figur 4 als weitere Variante angeordnet im Zulauf des Druckübersetzers 152 realisiert.