Reglerstruktur für eine Hydraulikzylindereinheit mit unterla- gertem Zustandsregler

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Reglerstruktur zum Regeln einer Hydraulikzylindereinheit,

- wobei die Reglerstruktur einen äußeren Regler aufweist, dem als Sollwert eine Sollkraft oder eine Sollstellung eines Kolbens der Hydraulikzylindereinheit und eine korrespondierende Istgröße des Kolbens zugeführt werden,

- wobei der äußere Regler anhand des ihm zugeführten Sollwertes und des ihm zugeführten Istwertes eine Stellgröße für eine Ventilsteuereinheit der Hydraulikzylindereinheit er- mittelt und die Stellgröße an die Ventilsteuereinheit ausgibt .

Derartige Regelstrukturen sind allgemein bekannt.

Bei der Regelung von Hydrauliksystemen, die aus Servoventil (= Ventilsteuereinheit) , Hydraulikzylinder und Hydraulikkolben bestehen, werden möglichst kurze Anregelzeiten angestrebt, um beim Anfahren von neu vorgegebenen Sollwerten und beim Ausregeln von Störungen schnell reagieren zu können. Bei üblichen Positions- und Kraftreglern kann es jedoch vorkommen, dass abhängig vom Verhalten der Hydraulikzylindereinheit nur relativ große Anregelzeiten erreicht werden. Dieses Problem ist insbesondere bei Langhubzylindern von großer Bedeutung.

Im Stand der Technik wird versucht, die Anregelzeiten durch eine KraftaufSchaltung zu verringern. Die KraftaufSchaltung besteht darin, dass bei der Positionsregelung die Kraft über ein DTi-Glied mitkoppelnd aufgeschaltet wird. Durch diese Vorgehensweise kann die wirksame Verstärkung des Positionsreglers erhöht werden. Die Anregelzeit wird somit kleiner. Nachteilig ist bei dieser Ausgestaltung jedoch, dass Dämpfung

der Regelung sehr klein wird. Das System neigt daher zu Schwingungen .

Aus der DE 10 2006 028 094 Al ist in Verbindung mit einer Spritzgießmaschine eine Regelstruktur zum Regeln einer Hydraulikzylindereinheit bekannt, welche einen inneren Regler und einen dem inneren Regler überlagerten äußeren Regler aufweist. Dem äußeren Regler kann als Sollwert eine Sollstellung des Kolbens der Hydraulikzylindereinheit und als Istwert die korrespondierende Istgröße des Kolbens zugeführt werden. Der äußere Regler ermittelt anhand des ihm zugeführten Sollwertes und des ihm zugeführten Istwertes einen „Sollzustand" der Hydraulikzylindereinheit. Der Sollzustand ist hierbei die Sollkraft. Der äußere Regler führt die von ihm ermittelte Sollkraft dem inneren Regler als dessen Sollwert zu. Dem inneren Regler wird weiterhin stets die Istkraft zugeführt. Zusätzlich kann dem inneren Regler ein Weg- oder Geschwindigkeitsistwert zugeführt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine

Reglerstruktur für eine Hydraulikzylindereinheit zu schaffen, die einerseits sehr dynamisch reagiert und dennoch stabil arbeitet .

Die Aufgabe wird durch eine Reglerstruktur für eine Hydraulikzylindereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Reglerstruktur sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8. Eine bevorzugte Verwendung der Reglerstruktur ist Gegenstand des Anspruchs 9. Die Ansprüche 10 bis 14 sind auf eine eigenständig erfinderische Teilausgestaltung der erfindungsgemäßen Reglerstruktur gerichtet .

Erfindungsgemäß weist die Reglerstruktur einen inneren Regler und einen dem inneren Regler überlagerten äußeren Regler auf. Dem äußeren Regler werden als Sollwert eine Sollkraft oder eine Sollstellung eines Kolbens der Hydraulikzylindereinheit und als Istwert eine korrespondierende Istgröße des Kolbens

zugeführt. Der äußere Regler ermittelt anhand des ihm zugeführten Sollwertes und des ihm zugeführten Istwertes einen Sollzustand der Hydraulikzylindereinheit. Den Sollzustand führt der äußere Regler dem inneren Regler als dessen SoIl- wert zu. Die Reglerstruktur weist weiterhin eine Zustandser- mittlungseinheit auf, der sowohl eine Iststellung des Kolbens als auch eine Istkraft des Kolbens zugeführt werden. Die Zu- standsermittlungseinheit ermittelt anhand der ihr zugeführten Iststellung des Kolbens und der ihr zugeführten Istkraft des Kolbens als solcher einen Istzustand der Hydraulikzylindereinheit und führt den Istzustand dem inneren Regler als dessen Istwert zu. Der innere Regler ermittelt anhand des ihm zugeführten Sollwertes und des ihm zugeführten Istwertes eine Stellgröße für eine Ventilsteuereinheit der Hydraulikzylin- dereinheit und gibt die Stellgröße an die Ventilsteuereinheit aus .

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die Hydraulikregelung als Kaskadenregelung aufzubauen. Aus der Stellung des Kolbens und der von ihm ausgeübten Kraft wird ein Zustand errechnet, der in einem inneren Regelkreis geregelt wird. Dem inneren Regelkreis ist der Stellungs- bzw. Kraftregler überlagert.

Auf Grund des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich insbesondere bei der Positionsregelung sehr gute Regelergebnisse. Zum Teil sind Anregelzeiten von wenigen Millisekunden (typisch unter 30 ms, in manchen Fällen sogar unter 20 ms) erreichbar. Auch bei der Kraftregelung ist die erfindungsgemäße Reglerstruktur von Vorteil. Trotz der verbesserten Reglerdynamik neigt die erfindungsgemäße Reglerstruktur jedoch nicht zu Schwingungen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der äußere Regler als PI-Regler ausgebildet. Dies steht im Gegensatz zur üblichen Ausgestaltung von Reglerstrukturen für Hydraulikzylindereinheiten, bei denen der Kraft- bzw. Stellungsregler als P-Regler ausgebildet ist.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist der PI-Regler einen Proportionalblock und einen dem Proportionalblock nach- geordneten Integralerweiterungsblock auf. Der Proportionalblock gibt ein Proportionalsignal ab, das vom Integralerwei- terungsblock um einen Integralanteil erweitert wird. Auf

Grund dieser Ausgestaltung ist insbesondere auf einfache Weise eine Nachrüstung einer bereits bestehenden (ergänze: als P-Regler ausgebildeten) Reglerstruktur zum Regeln einer Hydraulikzylindereinheit möglich, so dass die nachgerüstete Reg- lerstruktur erfindungsgemäß ausgestaltet ist.

Es ist möglich, dass zwischen dem Proportionalblock und dem Integralerweiterungsblock ein erstes Schaltelement angeordnet ist und dem inneren Regler ein zweites Schaltelement nachge- ordnet ist. In diesem Fall weist die Reglerstruktur eine Ansteuereinheit auf, von der die beiden Schaltelemente ansteuerbar sind. Durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente können in diesem Fall der Integralerweiterungsblock und der innere Regler überbrückt werden. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Reglerstruktur alternativ auf erfindungsgemäße Weise (d. h. mit zwei kaskadierten Reglern, wobei der äußere Regler als PI-Regler ausgebildet ist) oder auf konventionelle Weise (d. h. als einzelnen Regler, der als P-Regler arbeitet) zu betreiben.

Wie bereits erwähnt, ist der äußere Regler bevorzugt als PI- Regler ausgebildet. Der innere Regler hingegen ist bevorzugt als P-Regler ausgebildet.

Es ist möglich, dem äußeren Regler eine Umschalteinrichtung vorzuordnen, der die Sollkraft, die Istkraft, die Sollstellung und die Iststellung des Kolbens zugeführt werden. In diesem Fall weist die Reglerstruktur eine Ansteuereinheit auf, von der die Umschalteinrichtung derart ansteuerbar ist, dass dem äußeren Regler alternativ die Sollkraft und die

Istkraft oder die Sollstellung und die Iststellung des Kolbens zugeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die

Hydraulikzylindereinheit alternativ kraft- und stellungsgeregelt zu betreiben.

Die Zustandsermittlungseinheit ermittelt den Istzustand vor- zugsweise anhand der Beziehung

z = s + F/c, (1)

wobei z der Istzustand der Hydraulikzylindereinheit, s die Iststellung des Kolbens, F die Istkraft des Kolbens und c eine Federkonstante einer Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikzylindereinheit sind. Diese Vorgehensweise führt zu besonders guten Regelergebnissen.

Es ist möglich, dass die Reglerstruktur in Hardware ausgestaltet ist. Bevorzugt ist sie jedoch als Software ausgebildet.

Die Hydraulikzylindereinheit kann prinzipiell für beliebige Verstellvorgänge eingesetzt werden. Bevorzugt ist jedoch, ei- ne mittels einer erfindungsgemäßen Reglerstruktur geregelte Hydraulikzylindereinheit zur Anstellungsregelung eines WaIz- gerüsts zu verwenden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen sowie den weiteren Ansprüchen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

FIG 1 ein übersichtsschaltbild einer Hydraulikzylinder- einheit und einer Reglerstruktur,

FIG 2 die Reglerstruktur von FIG 1 im Detail und

FIG 3 eine Ausgestaltung der Reglerstruktur von FIG 2.

Gemäß FIG 1 weist eine Hydraulikzylindereinheit 1 einen Hyd- raulikzylinder 2 auf. Im Hydraulikzylinder 2 ist ein Kolben 3 verschiebbar gelagert. Der Kolben 3 trennt zwei Arbeitsräume 4, 5 voneinander. Er weist auf seiner Vorderseite 6 eine erste Arbeitsfläche A auf, auf seiner Rückseite 7 eine zweite

Arbeitsfläche A' . In den Arbeitsräumen 4, 5 herrschen Arbeitsdrücke p, p' . Die Zufuhr und Abfuhr einer Hydraulikflüssigkeit 8 erfolgt über eine Ventilsteuereinheit 9.

Der obenstehend erläuterte Aufbau und die obenstehend kurz erläuterte Wirkungsweise der Hydraulikzylindereinheit 1 und der Ventilsteuereinheit 9 sind allgemein bekannt. Hierzu sind daher keine detaillierten Ausführungen erforderlich.

Die Hydraulikzylindereinheit 1 kann für beliebige Einsatzzwecke verwendet werden. Gemäß FIG 1 wirkt beispielsweise der Kolben 3 über einen Stempel 10 auf eine Lagerung 11 einer Walze 12 eines im übrigen nicht dargestellten Walzgerüsts. Die Hydraulikzylindereinheit 1 wird im vorliegenden Fall da- her zur Anstellungsregelung des Walzgerüsts eingesetzt.

Die Hydraulikzylindereinheit 1 wird gemäß FIG 1 mittels einer Reglerstruktur 13 geregelt, welche eine Stellgröße u an die Ventilsteuereinheit 9 ausgibt. Der Reglerstruktur 13 werden als Istwerte s, F eine Iststellung s des Kolbens 3 und eine vom Kolben 3 ausgeübte Istkraft F zugeführt. Die Istkraft F wird hierbei gemäß der Formel

F = pA - p'A' (2)

ermittelt. Die Ermittlung erfolgt gemäß FIG 1 in einer Kraftermittlungseinheit 14, die nicht Bestandteil der Reglerstruktur 13 ist. Die Kraftermittlungseinheit 14 könnte jedoch in die Reglerstruktur 13 integriert sein.

Der Reglerstruktur 13 wird weiterhin mindestens ein Sollwert s*, F* zugeführt. Hierbei kann es sich alternativ um eine Sollstellung s* des Kolbens 3 oder eine vom Kolben 3 auszuübende Sollkraft F* handeln. Es ist auch möglich, der Reglerstruktur 13 beide Sollwerte s*, F* zuzuführen. Dies wird spä- ter in Verbindung mit FIG 2 näher erläutert werden.

Schließlich wird der Reglerstruktur 13 als Parameter eine Federkonstante c der Hydraulikflüssigkeit 8 zugeführt. Die Fe-

derkonstante c kann hierbei eine absolute Konstante sein. Alternativ kann sie in Abhängigkeit von der Iststellung s des Kolbens 3, gegebenenfalls unter Einschluss der Arbeitsdrücke p, p' und der Arbeitsflächen A, A', ermittelt werden.

Die Ausgestaltung der Reglerstruktur 13 wird nachfolgend in Verbindung mit FIG 2 detailliert erläutert. Die Ausgestaltung der Reglerstruktur 13 ist der Kerngegenstand der vorliegenden Erfindung.

Gemäß FIG 2 weist die Reglerstruktur 13 einen inneren Regler 15 und einen äußeren Regler 16 auf. Der äußere Regler 16 ist hierbei dem inneren Regler 15 überlagert. Der innere Regler 15 ist vorzugsweise als P-Regler ausgebildet. Der äußere Reg- ler 16 ist vorzugsweise als PI-Regler ausgebildet.

Dem äußeren Regler 16 wird als Sollwert x* alternativ die Sollkraft F* oder die Sollstellung s* zugeführt. Als Istwert x wird dem äußeren Regler 16 die korrespondierende Istgröße s, F des Kolbens 3 zugeführt.

Es ist möglich, dass dem äußeren Regler 16 eine Umschalteinrichtung 17 vorgeordnet ist. Der Umschalteinrichtung 17 werden in diesem Fall die Sollkraft F*, die Istkraft F, die Sollstellung s* und die Iststellung s des Kolbens 3 zugeführt. In diesem Fall weist die Reglerstruktur 13 eine Ansteuereinheit 18 auf, von der die Umschalteinrichtung 17 ansteuerbar ist. Je nach Ansteuerzustand der Umschalteinrichtung 17 werden in diesem Fall dem äußeren Regler 16 alterna- tiv die Sollkraft F* und die Istkraft F oder die Sollstellung s* und die Iststellung s des Kolbens 3 zugeführt. Der äußere Regler 16 kann daher alternativ als Kraft- oder als Stellungsregler betrieben werden. Unabhängig davon, ob der äußere Regler 16 als Kraft- oder als Stellungsregler betrieben wird, ermittelt der äußere Regler 16 anhand des ihm zugeführten

Sollwertes x* und des ihm zugeführten Istwertes x einen Sollzustand z* der Hydraulikzylindereinheit 1. Den von ihm ermit-

telten Sollzustand z* führt der äußere Regler 16 dem inneren Regler 15 als dessen Sollwert z* zu.

Die Reglerstruktur 13 weist weiterhin eine Zustandsermitt- lungseinheit 19 auf. Der Zustandsermittlungseinheit 19 werden sowohl die Iststellung s als auch die Istkraft F des Kolbens 3 zugeführt. Die Zustandsermittlungseinheit 19 ermittelt anhand der ihr zugeführten Werte s, F einen Istzustand z der Hydraulikzylindereinheit 1. Den von ihr ermittelten Istzu- stand z führt die Zustandsermittlungseinheit 19 dem inneren Regler 15 als dessen Istwert z zu.

Es ist möglich, dass die Zustandsermittlungseinheit 19 den Istzustand z ausschließlich anhand der Iststellung s und der Istkraft F ermittelt. In der Regel wird der Zustandsermittlungseinheit 19 jedoch zusätzlich die Federkonstante c zugeführt. In diesem Fall ermittelt die Zustandsermittlungseinheit 19 den Istzustand z vorzugsweise anhand der Beziehung

z = s + F/c (3)

Der Istzustand z entspricht daher vom Ansatz her einer Menge an Hydraulikflüssigkeit 8, die sich in der Hydraulikzylindereinheit 1 befindet.

Der innere Regler 15 ermittelt anhand des ihm zugeführten Sollwertes z* und des ihm zugeführten Istwertes z die Stellgröße u für die Ventilsteuereinheit 9 und gibt die Stellgröße u an die Ventilsteuereinheit 9 aus.

Es ist möglich, dass die Reglerstruktur 13 schaltungstechnisch realisiert ist. Vorzugsweise ist die Reglerstruktur 13 jedoch gemäß den FIG 1 und 2 als Softwaremodul 20 ausgebildet.

In Verbindung mit FIG 3 wird nachfolgend eine Modifikation der Reglerstruktur 13 von FIG 2 erläutert. Soweit möglich und sinnvoll, werden hierbei die gleichen Bezugszeichen wie bei

FIG 2 verwendet. Ferner werden nachfolgend nur die Unterschiede hervorgehoben. Die übrigen Ausführungen zum Aufbau und zur Funktionsweise der Reglerstruktur 13 bleiben weiterhin gültig.

Gemäß FIG 3 weist der äußere Regler 16 einen Proportionalblock 21 und einen Integralerweiterungsblock 22 auf. Der Integralerweiterungsblock 22 ist hierbei dem Proportionalblock

21 nachgeordnet. Der Proportionalblock 21 gibt ein Proportio- nalsignal u' aus. Der Proportionalblock 21 entspricht daher vom Ansatz her einem P-Regler. Der Integralerweiterungsblock

22 erweitert das vom Proportionalblock 21 abgegebene Proportionalsignal u' um einen Integralanteil. Die Kombination des Proportionalblocks 21 und des Integralerweiterungsblocks 22 entspricht somit dem als PI-Regler 16 ausgebildeten äußeren Regler 16.

Gemäß FIG 3 ist zwischen dem Proportionalblock 21 und dem Integralerweiterungsblock 22 ein erstes Schaltelement 23 ange- ordnet. Weiterhin ist dem inneren Regler 15 ein zweites

Schaltelement 23' nachgeordnet. Die Reglerstruktur 13 weist in diesem Fall weiterhin eine Ansteuereinheit 24 auf, von der die beiden Schaltelemente 23, 23' ansteuerbar sind. Je nach Ansteuerzustand der Schaltelemente 23, 23' sind daher alter- nativ der Integralerweiterungsblock 22 und der innere Regler 15 aktiv oder deaktiv. Je nach Ansteuerzustand der Schaltelemente 23, 23' kann daher die Reglerstruktur 13 entweder als konventioneller Kraft- bzw. Stellungsregler betrieben werden oder als erfindungsgemäßer kaskadierter Regler. Im erstge- nannten Fall ist hierbei der konventionelle Regler als P-Regler ausgebildet, im letztgenannten Fall der äußere Regler 16 als PI-Regler, der innere Regler 15 als P-Regler.

Die Ansteuereinheit 24 ist in FIG 3 als von der Ansteuerein- heit 18 unabhängige Einrichtung dargestellt. Diese Ausgestaltung ist selbstverständlich möglich. Alternativ können die Ansteuereinheiten 18, 24 zu einer gemeinsamen Einheit zusam- mengefasst sein.

Der Integralerweiterungsblock 22 und der innere Regler 15 sowie die Zustandsermittlungseinheit 19 bilden zusammen eine Innenstruktur 25 der Reglerstruktur 13. Die Innenstruktur 25 kann als eigenständige Einheit ausgebildet sein. Insbesondere kann sie gemäß FIG 3 - im Falle der Ausgestaltung der Reglerstruktur 13 als Softwaremodul 20 - als eigenes Softwaremodul 26 ausgebildet sein. Die Schaltelemente 23, 23' sowie die Ansteuereinheit 24 für die Schaltelemente 23, 23' können hier- bei Bestandteile der Innenstruktur 25 sein. Sie können jedoch alternativ nicht vorhanden sein oder außerhalb der Innenstruktur 25 angeordnet sein.

Auf Grund der erfindungsgemäß ausgestalteten Reglerstruktur 13 lassen sich kleinere Anregelzeiten (zum Teil unter 20 ms, beispielsweise 15 ms) als mit konventionell ausgestalteten Reglerstrukturen erzielen. Dies gilt sogar dann, wenn der konventionelle Regler als Positionsregler mit KraftaufSchaltung betrieben wird. Dennoch ist bei der erfindungsgemäßen Reglerstruktur 13 die Dämpfung größer, das heißt die Schwingungsneigung geringer.

In der Ausgestaltung gemäß FIG 3 kann die Innenstruktur 25 als eigenständiger Block realisiert werden. Durch diese Aus- gestaltung ist zum einen eine einfache Nachrüstbarkeit bestehender, konventioneller Reglerstrukturen möglich. Zum anderen ist es durch diese Ausgestaltung möglich, die Innenstruktur 25 alternativ zuzuschalten oder zu überbrücken. Eine weitergehende Anpassung überlagerter Reglerstrukturen ist hierbei nicht erforderlich.

Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.