DE10130475A1

DE10130475A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung

Info

Publication number: DE10130475A1
Application number: DE10130475A
Authority: DE
Inventors: Gregory G Hafner; Gee Brian G Mc
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2002070752A; US6375433B1; DE10130475B4

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung mit einer Taumelplatte und einem Servoventil zur Steuerung eines Neigungswinkels der Taumelplatte wird vorgesehen. Das Verfahren und die Vorrichtung weisen das Abfühlen eines Wertes eines Ist-Pumpenauslaßdruckes auf, weiter die Bestimmung eines Soll-Steuerdruckes unter Verwendung eines ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzes, die Bestimmung einer Soll-Servoventilkolbenposition unter Verwendung eines zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzes und die Steuerung des Wertes des Ist-Pumpenauslaßdruckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung und insbesondere auf ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von nicht li nearen Charakteristiken, die mit dem Pumpenauslaßdruck einer Pumpe mit variabler Verdrängung assoziiert sind.

Technischer Hintergrund

Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung werden bei ei ner Vielzahl von Anwendungen verwendet. Beispielsweise verwenden Hydraulikbaumaschinen, Erdbearbeitungsmaschinen usw. oft Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung zum Liefern eines unter Druck gesetzten Hydraulikströmungs mittelflusses, der erforderlich ist, um erwünschte Ar beitsfunktionen auszuführen.

Der Betrieb der Pumpen ist jedoch Veränderungen bezüglich des Druckes und der Flußausgabe unterworfen, die von Ver änderungen der Lastanforderungen bewirkt werden. Es ist seit langem erwünscht gewesen, den Druckausgang der Pum pen in konsistenter bzw. durchgängiger Weise aufrecht zu erhalten, so daß der Betrieb der Hydrauliksysteme gutmü tig und vorhersagbar ist. Daher sind Versuche unternommen worden, die Druckausgangsgröße einer Pumpe zu überwachen und den Pumpenbetrieb entsprechend zu steuern, um Verän derungen der Belastung zu kompensieren.

Beispielsweise offenbaren die US-Patente 4,510,750 und 5,865,602 von Izumi und anderen beziehungsweise Nozari die Anwendung von Rückkoppelungssystemen, die Charakteri stiken überwachen wie beispielsweise den Pumpenausgangs druck, und die eine Rückkoppelungssteuerung der Pumpe beim Versuch zum Betrieb der Pumpe in erwünschter Weise vorsehen. Jedoch tragen weder Izumi und andere noch Noza ri dem großen Bereich von nicht linearen Verhaltensweisen Rechnung, die dem Betrieb von Hydraulikpumpen innewohnen. Die offenbarten Patente von Izumi und anderen und von No zari sind auf einen linearen Pumpenbetriebsbereich einge schränkt, bei dem das Verhalten der Pumpe ziemlich vor hersagbar ist und somit unter Verwendung von wohl bekann ten linearen Steuertechniken gesteuert werden kann.

Nicht lineare Steuerverfahren existieren, die zur Steue rung von Systemen mit im wesentlichen nicht linearen Ver halten verwendet werden können, wie beispielsweise für Pumpen mit variabler Verdrängung. Beispielsweise ist ei nes der üblichen Verfahren zur Steuerung, zuerst ein nicht lineares System zu linearisieren und dann das dar aus folgende lineare System zu steuern. Ein allgemeines Beispiel eines solchen Systems sieht eine Taylor-Reihen- Linearisierung vor, die einen kleinen Teil des Systems um einen Betriebspunkt linearisiert, wobei der Teil, mit dem zu beginnen ist, im wesentlichen linearer Natur ist. Der Nachteil von einem Verfahren wie diesem ist, daß eine vorhersagbare Leistung nur sichergestellt ist, wenn das System eng an dem speziellen Punkt bleibt, um den es li nearisiert ist.

Ein weiteres Verfahren ist es, eine Technik zu verwenden, die im allgemeinen als Verstärkungs- bzw. Gain-Scheduling bekannt ist, (Verstärkungsplan) wobei eine Reihe von Be triebspunkten ausgewählt wird, dann ein kleiner Teil um jeden Betriebspunkt herum linearisiert wird, beispiels weise durch ein Verfahren wie die Taylor-Reihen. Jedoch hat dies ein diskretes System zur Folge, welches nicht gut funktioniert, wenn sich das System von einem Betrieb spunkt zum nächsten bewegt.

Ein Verfahren, das als Rückkoppelungslinearisierung be kannt ist, kann verwendet werden, um nicht lineare dyna mische Vorgänge eines Systems in lineare Gleichungen um zuwandeln, die dann verwendet werden können, um das Sy stem in wirkungsvoller Weise zu steuern. Beispielsweise offenbart Dietz im US-Patent 5,666,806 ein System, das Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze verwendet, um das nicht lineare Verhalten eines Hydrauliksystems zu steuern, insbesondere das nicht lineare Verhalten eines Hydraulikzylinders. Jedoch weist das von Dietz offenbarte System nicht lineare Verhaltensweisen von mehreren Quel len auf, wie beispielsweise einer Pumpe, eines Zylinders, eines Steuerventils usw. Als Folge muß Dietz Rückkoppe lungslinearisierungssteuergesetze auf viele Quellen von nicht linearen Verhaltensweisen anwenden, was somit line arisierte Gleichungen mit dynamischen Ansprechcharakteri stiken höherer Ordnung, beispielsweise vierter Ordnung zur Folge hat.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, eine einzige Vorrichtung, d. h. eine Hydraulikpumpe mit varia bler Verdrängung innerhalb eines Hydrauliksystems zu steuern, und somit die nicht linearen Charakteristiken zu steuern, die mit der Hydraulikpumpe assoziiert sind. Es ist auch erwünscht, die Pumpe unter Verwendung von Rück koppelungslinearisierungssteuergesetzen zu steuern, um den Auslaßdruck der Pumpe über einen breiten Bereich von nicht linearen Betriebszuständen zu steuern. Weiterhin ist es erwünscht, die nicht linearen Charakteristiken der Pumpe unter Verwendung von Rückkoppelungslinearisierungs steuergesetzen zu steuern, die ein Systemtracking- bzw. Systemverfolgungsansprechen erster Ordnung erzeugen, wo bei somit eine Steuerung über die nicht linearen Verhal tensweisen vorgesehen wird, ohne auf eine Schritt- bzw. Stufenantwort zu übersteuern.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung offenbart, die eine Schräg- bzw. Taumelplatte und ein Servoventil hat, um einen Neigungswinkel der Taumelplatte zu steuern. Das Verfahren weist die Schritte auf, einen Wert eines tat sächlichen Pumpenauslaßdruckes bzw. Ist-Pumpenauslaß druckes abzufühlen, einen erwünschten Steuerdruck bzw. Soll-Steuerdruck unter Verwendung eines ersten Rückkoppe lungslinearisierungssteuergesetzes zu bestimmen, eine er wünschte Servoventilsteuerposition unter Verwendung eines zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzes zu bestimmen, und den Wert des tatsächlichen Pumpenauslaß druckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkop pelungslinearisierungssteuergesetze zu steuern.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Steuerung eines Pumpenauslaß druckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung offenbart. Die Vorrichtung weist eine Taumelplatte auf, die verkippbar an der Pumpe montiert ist, ein Servoven til, das hydraulisch mit der Pumpe verbunden ist, um ei nen Neigungswinkel der Taumelplatte zu steuern, einen Pumpenauslaßdrucksensor, der mit einem Auslaßanschluß der Pumpe verbunden ist, und eine Steuervorrichtung, die elektrisch mit der Pumpe verbunden ist, um einen Wert ei nes tatsächlichen Pumpenauslaßdruckes abzufühlen, um ei nen erwünschten Steuerdruck unter Verwendung eines ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzes zu bestimmen, um eine erwünschte Servoventilkolbenposition unter Ver wendung eines zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteu ergesetzes zu bestimmen, und den Wert des tatsächlichen Pumpenauslaßdruckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze zu steuern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige aufgeschnittene Seiten ansicht einer Hydraulikpumpe mit variabler Ver drängung, die zum Gebrauch bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist;

Fig. 2 ist eine diagrammartige Ansicht der Pumpe der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine diagrammartige Darstellung einer Pum pe, die ein Servoventil aufweist;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine bevorzugte Vor richtung veranschaulicht, die ein Steuersystem für die Pumpe der Fig. 3 aufweist;

Fig. 5 ist ein Rückkoppelungssteuerdiagramm für das Steuersystem der Fig. 4;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das ein bevorzugtes Ver fahren der vorliegenden Erfindung veranschau licht; und

Fig. 7 ist eine diagrammartige Darstellung, die einen Aspekt der vorliegenden Erfindung abbildet.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen wird ein Verfahren und eine Vorrichtung 100 zur Steuerung eines Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe 102 mit variabler Verdrängung offen bart.

Insbesondere mit Bezug auf Fig. 1 und 2 ist die Hydrau likpumpe 102 mit variabler Verdrängung, auf die im fol genden als Pumpe 102 Bezug genommen wird, vorzugsweise eine Hydraulikpumpe 102 mit Axialkolben und Taumelplatte bzw. Schrägplatte mit einer Vielzahl von Kolben 110, bei spielsweise 9, die in einer kreisförmigen Anordnung in nerhalb eines Zylinderblockes 108 gelegen sind. Vorzugs weise sind die Kolben 110 in gleichen Intervallen um eine Welle 106 beabstandet, die auf einer Längsmittelachse des Blockes 108 gelegen ist. Der Zylinderblock 108 wird eng gegen eine Ventilplatte 102 mittels einer Zylinderblock feder 114 gedrückt. Die Ventilplatte weist einen Einlaß anschluß 204 und einen Auslaßanschluß 206 auf.

Jeder Kolben 110 ist mit einem Gleitschuh 112 verbunden, vorzugsweise mittels einer Kugel-Fassungs-Verbindung bzw. Kugelgelenkverbindung 113. Jeder Gleitschuh 112 wird in Kontakt mit einer Taumelplatte bzw. Schrägplatte 104 ge halten. Die Taumelplatte 104 ist verkippbar an der Pumpe 102 montiert, wobei der Neigungswinkel α steuerbar ein stellbar ist.

Weiterhin mit Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 und mit Bezug auf Fig. 3 wird der Betrieb der Pumpe 102 veranschau licht. Der Zylinderblock 108 dreht sich mit einer kon stanten Winkelgeschwindigkeit ω. Als eine Folge läuft je der Kolben 110 periodisch über jeden der Einlaß- und Aus laßanschlüsse 204, 206 der Ventilplatte 202. Der Nei gungswinkel α der Taumelplatte 104 bewirkt, daß die Kol ben 110 eine Oszillationsverschiebung in den Zylinder block 108 hinein und aus diesem heraus ausführen, wobei somit Hydraulikströmungsmittel in den Einlaßanschluß 204 gezogen wird, der ein Niederdruckanschluß ist, und aus dem Auslaßanschluß 206, der ein Hochdruckanschluß ist.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel neigt sich der Nei gungswinkel α der Taumelplatte 104 um einen Taumelplat tenschwenkpunkt 316 und wird durch ein Servoventil 302 gesteuert. Ein Servoventilkolben 308 wird steuerbar in eine Position innerhalb des Servoventils 302 bewegt, um einen Hydraulikströmungsmittelfluß an einem Auslaßan schluß 314 des Servoventils 302 zu steuern. Ein Auslaß druckrückkoppelungsservo 304 in Zusammenarbeit mit einer Servofeder 310 arbeitet dahingehend, daß der Neigungswin kel α der Taumelplatte 104 ansteigt, was somit den Hub der Pumpe 102 vergrößert. Ein Steuerservo 306 nimmt unter Druck gesetztes Strömungsmittel vom Auslaßanschluß 312 des Servoventils 302 auf und arbeitet darauf ansprechend dahingehend, daß der Neigungswinkel α der Taumelplatte 104 verringert wird, was somit den Hub der Pumpe 102 ver ringert. Vorzugsweise ist das Steuerservo 306 bezüglich der Größe und Kapazität größer als das Auslaßdruckrück koppelungsservo 304. Die Pumpe 102 liefert unter Druck gesetztes Hydraulikströmungsmittel an den Auslaßanschluß 206 der Ventilplatte 202 mittels eines Pumpenauslaßan schlusses 314.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung veranschaulicht.

Ein Pumpenauslaßdrucksensor 404, der vorzugsweise am Pum penauslaßanschluß 314 gelegen ist, ist geeignet, um den Auslaßdruck des Hydraulikströmungsmittels aus der Pumpe 102 abzufühlen. Alternativ kann der Pumpenauslaßdrucksen sor 404 an irgend einer Position gelegen sein, die geeig net ist, den Strömungsmitteldruck von der Pumpe 102 abzu fühlen, wie beispielsweise am Auslaßanschluß 206 der Ven tilplatte 202, an einem Punkt entlang der Hydraulikströ mungsmittelleitung von der Pumpe 102 zum Hydrauliksystem, das mit dem unter Druck gesetzten Strömungsmittel ver sorgt wird, usw. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Pumpenauslaßdrucksensor 404 von einer Bauart, die in der Technik wohl bekannt ist und geeignet ist, den Druck des Hydraulikströmungsmittels abzufühlen.

Ein Steuerdrucksensor 408 ist an dem Steuerservo 306 in einer Weise gelegen, die geeignet ist, den Druck des Hy draulikströmungsmittels abzufühlen, das zum Steuerservo 306 durch das Servoventil 302 geliefert wird. Alternativ kann der Steuerdrucksensor 408 am Servoventilausgangs anschluß 312 gelegen sein.

Ein optionaler Taumelplattenwinkelsensor 406 ist an der Taumelplatte 104 in einer Weise gelegen, die geeignet ist, den Neigungswinkel α der Taumelplatte 104 abzufüh len. Beispielsweise kann der Taumelplattenwinkelsensor 406 ein Resolver bzw. Winkelaufnehmer sein, der an der Taumelplatte 104 montiert ist, ein Dehnmeßstreifen, der an der Taumelplatte 104 angebracht ist, oder irgend eine andere Sensorbauart, die in der Technik wohl bekannt ist. Wie unten genauer besprochen kann der Taumelplattenwin kelsensor 406 bei der vorliegenden Erfindung unter gewis sen Umständen nicht erforderlich sein.

Eine Steuervorrichtung 402, die vorzugsweise an einer (nicht gezeigten) Maschine gelegen ist, die die Pumpe 102 als Teil eines gesamten Hydrauliksystems verwendet, bei spielsweise eine mobile Bau- oder Erdbearbeitungsmaschi ne, und die elektrisch mit der Pumpe 102 verbunden ist, ist geeignet, um die abgefühlten Informationen vom Pum penauslaßdrucksensor 404, vom Taumelplattenwinkelsensor 406 und von irgend welchen anderen erforderlichen Senso ren aufzunehmen, und darauf ansprechend eine Abfolge von Funktionen auszuführen, die den Wert des Hydraulikauslaß druckes der Pumpe 102 in erwünschter Weise steuern sol len. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 402 geeignet, einen erwünschten bzw. Soll-Pumpenauslaßdruck unter Ver wendung eines ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuer gesetzes zu bestimmen, eine erwünschte Servoventilkolben position unter Verwendung eines zweiten Rückkoppelungsli nearisierungssteuergesetzes zu bestimmen, und den Wert des tatsächlichen Pumpenauslaßdruckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteu ergesetze zu steuern. Der Betrieb der Steuervorrichtung wird unten genauer besprochen.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist ein Rückkoppelungssteuerdia gramm gezeigt, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Ein erwünschter bzw. Soll-Pumpenauslaßdruck P_d wird in eine erste Verbindung 502 eingegeben, die auch die Rück koppelungsgröße vom Ausgangsdruck P der Pumpe aufnimmt.

Der Ausgang der ersten Verbindung wird zu einem ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetz 504 geliefert, um einen erwünschten Steuerdruck P_cd zu bestimmen. Die Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze, die in ihrer Theorie in der Technik wohl bekannt sind, werden verwen det, um ein nicht lineares System in ein globales bzw. allgemeines lineares System umzuwandeln.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das erste Rück koppelungslinearisierungssteuergesetz 504 für eine äußere Schleife 518 des Rückkoppelungssteuersystems verwendet, und kann durch eine beispielhafte Gleichung in der fol genden Form dargestellt werden:

wobei gilt
a_c ist die Querschnittsfläche des Steuerservos 306 multi pliziert mit der Distanz vom Steuerservo 306 zum Taumel plattenschwenkpunkt 316;
a_p ist die Querschnittsfläche des Auslaßdruckrückkoppe lungsservos 304 multipliziert mit der Distanz von dem Auslaßdruckrückkoppelungsservo 304 zum Taumelplatten schwenkpunkt 316, die zu einem Ausdruck hinzugefügt wird, der den Taumelplattendruckübertragswinkel γ darstellt (der unten genauer mit Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wird);
d ist ein Federvorspannausdruck für die Servofeder 310; I(a)+G(a) sind nicht lineare dynamische Verhaltensweisen der Taumelplatte 104; und
A-k_cΔP sind Fehlerdynamikausdrücke, wobei k_c eine Gain- bzw. Verstärkungskonstante ist, die größer als Null ist, und wobei ΔP die Differenz zwischen dem Ist-Auslaßdruck der Pumpe 102 und dem Soll-Auslaßdruck der Pumpe 102 dar stellt.

Diese Eingabe wird eine stabile konvergente dynamische Ausgangsgröße erster Ordnung zur Folge haben, die von der folgenden Gleichung beschrieben wird:

Δ-k_cΔP = 0 (Gleichung 2)

wobei wenn sich die Gleichung 2 an Null annähert, ein Übersteuern des Pumpenauslaßdruckes P eliminiert wird.

Es sei bemerkt, daß die Gleichung 1 ein beispielhaftes erstes Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetz 504 dar stellt, und daß Veränderungen des Steuergesetzes 504 an gewandt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Eine zweite Verbindung 506 nimmt den Soll-Steuerdruck P_cd auf und nimmt auch die Rückkoppelungsgröße von einer in neren Schleife 520 auf. Die daraus resultierende Aus gangsgröße wird dann an ein zweites Rückkoppelungslinea risierungssteuergesetz 508 geliefert, das verwendet wird, um eine erwünschte Servoventilkolbenposition x_v zu be stimmen. Das zweite Rückkoppelungslinearisierungssteuer gesetz 508 kann durch eine beispielhafte Gleichung der folgenden Form dargestellt werden:

wobei gilt,
C_1c ist ein Leckkoeffizient des Steuerservos 306;
P_c ist der Steuerdruck, d. h. der Druck, der auf das Steu erservo 306 aufgebracht wird;
ist eine Winkelgeschwindigkeit der Taumelplatte 104;
V_c/β ist eine Kapazität des Steuerservos 306;
k_xΔP_c-_cd sind die Steuerservofehlerdynamikausdrücke, wo bei k_x eine Verstärkungs- bzw. Gain-Konstante ist, die größer als 0 ist;
C_d ist ein Ventilzumeßöffnungskoeffizient für den Servo ventilkolben; und
w ist die Flächen- bzw. Querschnittsrate, die durch die Bewertung der Ableitung der Fläche der Ventilzumeßöffnung an der Null-Position erhalten werden kann.

Mit Bezug auf die Steuerservofehlerdynamik, gilt k_xΔP_c-_cd, ΔP_c = P_c-P_cd. Die daraus resultierenden Systemfeh lerdynamikvorgänge der inneren Schleife 520 werden ange geben durch:

Δ_c+ k_xΔP_c = 0 (Gleichung 4)

wobei wenn sich die Gleichung 4 an Null annähert ein Übersteuern des Steuerservosteuerdruckes P_c eliminiert wird.

Es sei bemerkt, daß Gleichung 2 ein beispielhaftes zwei tes Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetz 508 dar stellt, und daß Veränderungen des Steuergesetzes 508 ver wendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Die Ausgangsgröße aus dem zweiten Rückkoppelungslineari sierungssteuergesetz 508 wird dann zu der Servoven tilflußgleichung 510 geliefert, um den Steuerdruck P_c zu bestimmen. Vorzugsweise wird die Servoventilflußgleichung 510 verwendet, um P_c zu bestimmen, und zwar zuerst durch Bestimmung der Flußrate Q_c, die von dem Servoventil 302 gesteuert wird. Eine beispielhafte Gleichung zur Bestim mung von Q_c ist folgende:

wobei A₀(x_v) die Zumeßöffnungsfläche ist.

Der Steuerdruck P_c wird dann für verschiedene Taumelplat tendynamiken 512 kompensiert, wie beispielsweise die nicht lineare Reibung der Taumelplatte 104, die Coulomb- Reibung zwischen jedem Kolben 110 und im Zylinderblock 108. Die Ausgangsgröße aus der Kompensation für die Tau melplattendynamik wird dann zu einer dritten Verbindung 514 geliefert, in der die Ist-Lastflußrate Q_L kombiniert wird. Die Ausgangsgröße aus der dritten Verbindung 514 wird dann bezüglich der Schlauchdynamik 516 kompensiert, wie beispielsweise die Kompressibilität des Hydrau likströmungsmittels, die Leckage usw.

Mit Bezug auf Fig. 6 ist ein Flußdiagramm gezeigt, daß ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung ver anschaulicht.

In einem ersten Steuerblock 602 wird der Ist-Pumpenaus laßdruck P abgefühlt, vorzugsweise unter Verwendung des Pumpenauslaßdrucksensors 404, der in Fig. 4 gezeigt ist. Zusätzlich wird in dem mit Bezug auf Gleichung 1 be schriebenen Ausführungsbeispiel der Taumelplattennei gungswinkel α bestimmt, und zwar vorzugsweise durch Ver wendung des Taumelplattenwinkelsensors 406, der in Fig. 4 gezeigt ist.

Jedoch können bei einigen Hochdruckanwendungen die Aus drücke, die mit dem Neigungswinkel der Taumelplatte asso ziiert sind, eliminiert werden, ohne nachteilig die An wendung des ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuerge setzes 504 zu beeinflussen, d. h. die Gleichung 1. Daher wird der Taumelplattenwinkelsensor 406 bei diesen Anwen dungen nicht benötigt. Ein vereinfachtes erstes Rückkop pelungslinearisierungssteuergesetz 504 kann dargestellt werden durch

In einem zweiten Steuerblock 604 wird der erwünschte Steuerdruck P_cd unter Verwendung des ersten Rückkoppe lungslinearisierungssteuergesetzes 504 bestimmt, wie oben mit Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt.

In einem dritten Steuerblock 606 wird die erwünschte Ser voventilkolbenposition x_v unter Verwendung des zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzes 508 bestimmt, wie oben mit Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt.

In einem optionalen vierten Steuerblock 608 wird zumin dest eines der ersten und zweiten Rückkoppelungslineari sierungssteuergesetze 504, 508 modifiziert, und zwar als eine Funktion von mindestens einem adaptiven Online- Lernalgorithmus. Ein Beispiel der Anwendung eines adapti ven Online-Lernalgorithmuses ist mit Bezugnahme auf Fig. 7 gezeigt.

In Fig. 7 weist eine Ventilplatte 202 einen Einlaßan schluß 204 und einen Auslaßanschluß 206 auf. Der Einlaß anschluß 204 liefert einen Einlaßdruck P_i, der ein nied riger Druck ist, und zwar bei einem Niederdruckgebiet 704. In ähnlicher Weise liefert der Auslaßanschluß 206 einen Auslaßdruck P_d, der ein hoher Druck ist, an ein Hochdruckgebiet 702. Das Übergangsgebiet vom Hochdruckge biet 702 zum Niederdruckgebiet 704 ist ein Druckwechsel gebiet, das im allgemeinen als Taumelplattendrucküber tragwinkel γ bekannt ist. Wie oben mit Bezug auf die Gleichung 1 gezeigt, ist der Taumelplattendruckübertrag winkel γ im Ausdruck a_p eingeschlossen, und hat somit ei nen Effekt auf das erste Rückkoppelungslinearisierungs steuergesetz 504. Ein adaptiver Online-Lernalgorithmus kann verwendet werden, um die nicht linearen Effekte von γ zu kompensieren. Ein Beispiel eines Online-Lernalgo rithmuses kann wie folgt gezeigt werden:

γ = ϕ(P-P₀)^1/4 (Gleichung 7)

und

= ηΔPP^1/4P_d (Gleichung 8)

wobei ϕ eine Konstante ist, die von Faktoren bestimmt wird, wie beispielsweise der Ventilplattengeometrie der Pumpe 102, dem Strömungsmittelmassenmodul bzw. Strömungs mittel-E-Modul, dem Nennvolumen der Kolbenkammern im Zy linderblock 108, der Laufgeschwindigkeit der Pumpe 102 und so weiter. Wenn sich die Systemzustände verändern, können sich diese Faktoren verändern, was somit Verände rungen in γ bewirkt. Der adaptive Online-Lernalgorithmus "lernt" als eine Folge diese Parameter unter verschiede nen Zuständen, was somit einen stabilen konvergenten Wert für γ im ersten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetz 504 liefert.

In einem optionalen fünften Steuerblock 610 wird ein Gleitbetriebszustandsteuerausdruck in mindestens eines der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteu ergesetze 504, 508 einbezogen, und zwar als eine Funktion der begrenzten nicht modellierten Dynamikvorgänge der Pumpe 102. Begrenzte nicht modellierte Dynamikvorgänge der Pumpe 102 können Parameter aufweisen, die nicht ma thematisch bestimmt werden können, wie beispielsweise die Temperatur des Hydraulikströmungsmittels, Reibkräfte, Druckfehler usw., wobei sie jedoch nicht auf diese einge schränkt sind. Eine beispielhafte Gleichung für die Gleitbetriebszustandssteuerung ist wie folgt:

wobei ˆ anzeigt, daß der Ausdruck ein abgeschätzter Aus druck ist, wobei k_sl eine Konstante ist, die größer als Null ist, wobei s ein Gleitoberflächenausdruck ist, und wobei Φ die Dicke der Grenzschicht ist, die eine Lei stungsgrenze für das System bei der Gleitsteuerung be stimmt. Es sei bemerkt, daß andere Gleitbetriebszustands gleichungen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

In einem sechsten Steuerblock 612 wird der tatsächliche Pumpenauslaßdruck P als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze 504, 508 gesteuert.

Industrielle Anwendbarkeit

Als ein Beispiel des Betriebs der vorliegenden Erfindung wird eine Hydraulikpumpe 102 mit variabler Verdrängung oft verwendet, um eine Druckversorgung für Hydraulikströ mungsmittel zu verschiedenen Betätigungsvorrichtungen zur Äusführung von Arbeitsfunktionen vorzusehen. Beispiels weise werden Arbeitswerkzeuge an Erdbewegungsmaschinen typischerweise durch hydraulisch betätigte Zylinder ange trieben. Wenn die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen arbeiten, erzeugen verschiedene Zustände nicht lineare Verhaltensweisen im Betrieb. Beispielsweise trifft ein Arbeitswerkzeug an einer Erdbewegungsmaschine üblicher weise auf Steine und andere Objekte, die eine vergrößerte Nachfrage für unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Pumpe 102 bewirken.

Es ist lang erwünscht gewesen, den Druck des Strömungs mittels zu steuern, der durch eine Pumpe 102 geliefert wird, jedoch machen die nicht linearen Verhaltensweisen, die bei der Pumpe vorkommen, die üblichen Steuertechniken uneffizient und unzuverlässig.

Die vorliegende Erfindung ist geeignet, den Druck zu steuern, der von einer Pumpe 102 geliefert wird, und zwar durch Ansprechen der nicht linearen Verhaltensweisen und der Ungewißheiten, die mit den Betriebsvorgängen im übli chen Leben assoziiert sind, d. h. durch Anwendung von Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetzen und adaptiven Algorithmen, die auf den tatsächlichen nicht linearen Be trieb einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung zie len.

Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung zur Steuerung eines Neigungswinkels der Schräg- bzw. Taumelplatte, das folgende Schritte aufweist:
Abfühlen eines Wertes eines tatsächlichen Pumpenaus laßdruckes;
Bestimmung eines erwünschten Steuerdruckes unter Verwendung eines ersten Rückkoppelungslinearisie rungssteuergesetzes;
Bestimmung einer erwünschten Servoventilkolbenposi tion unter Verwendung eines zweiten Rückkoppelungs linearisierungssteuergesetzes; und
Steuerung des Wertes des tatsächlichen Pumpenauslaß druckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze ein System ansprechend erster Anordnung erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt aufweist, mindestens eines der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungssteuergesetze als eine Funktion von mindestens einem adaptiven Online- Lernalgorithmus zu steuern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der adaptive Onli ne-Lernalgorithmus geeignet ist, einen Parameter zu überwachen, der mit der Pumpe assoziiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Parameter ein Druckübertragswinkel der Taumelplatte ist, wenn der hydraulische Pumpendruck von einer Größe eines Aus laßdruckes und eines Einlaßdruckes zur anderen Größe des Auslaßdruckes und Einlaßdruckes übergeht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt aufweist, einen Gleitbetriebszustandssteuerausdruck in mindestens einem der ersten und zweiten Rückkop pelungslinearisierungssteuergesetze vorzusehen, und zwar als eine Funktion der nicht modellierten dyna mischen Verhaltensweise der Pumpe.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Rückkop pelungssteuergesetz Parameter aufweist, die mit Tau melplattendynamiken assoziiert sind, die den Nei gungswinkel der Taumelplatte aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das erste Rückkop pelungssteuergesetz geeignet ist, ohne Parameter zu funktionieren, die mit der Taumelplattendynamik as soziiert sind, die den Neigungswinkel der Taumel platte aufweist, und zwar als eine Funktion dessen, daß die Pumpe über einem vorbestimmten Druckwert ar beitet.

9. Vorrichtung zur Steuerung eines Pumpenauslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, die folgendes aufweist:
eine Taumelplatte, die verkippbar an der Pumpe mon tiert ist;
ein Servoventil, das hydraulisch mit der Pumpe ver bunden ist, um einen Neigungswinkel der Taumelplatte zu steuern;
einen Pumpenauslaßdrucksensor, der mit einem Auslaß anschluß der Pumpe verbunden ist; und
eine Steuervorrichtung, die elektrisch mit der Pumpe verbunden ist, um einen Wert eines tatsächlichen Pumpenauslaßdruckes abzufühlen, um einen erwünschten Steuerdruck unter Verwendung eines ersten Rückkoppe lungslinearisierungssteuergesetzes zu bestimmen, um eine erwünschte Servoventilkolbenposition unter Ver wendung eines zweiten Rückkoppelungslinearisierungs steuergesetzes zu bestimmen, und um den Wert des tatsächlichen Pumpenauslaßdruckes als eine Funktion der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisie rungssteuergesetze zu steuern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiter einen Tau melplattenwinkelsensor aufweist, der mit der Taumel platte verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiter einen Steu erservo in Kontakt mit der Taumelplatte aufweist, und zwar geeignet zur Aufnahme von unter Druck ge setztem Strömungsmittel vom Servoventil und zur dar auf ansprechenden Steuerung des Neigungswinkels der Taumelplatte.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, die weiter einen Steu erdrucksensor aufweist, der mit dem Steuerservo ver bunden ist, um den Druck des Strömungsmittels abzu fühlen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuervor richtung weiter geeignet ist, mindestens eines der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungs steuergesetze als eine Funktion des mindestens einen Online-Lernalgorithmuses zu modifizieren.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuervor richtung weiterhin geeignet ist, einen Gleitbe triebszustandssteuerausdruck in mindestens einem der ersten und zweiten Rückkoppelungslinearisierungs steuergesetze vorzusehen, und zwar als eine Funktion der unmodellierten bzw. nicht durch Modelle darge stellten Dynamikvorgänge der Pumpe.