Strategien zur Steuerung und Regelung der Kolbenposition von Mobil-Proportional-Wegeventilen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Steuerung und Regelung von Mobilventilen. Es wird ein elektrohydraulisch betätigtes Proportional-Wegeventil in Schieberbauweise betrachtet. Seitens der Industrie besteht ein steigender Bedarf an solchen Ventilen mit verbesserten dynamischen Eigenschaften, um den hohen Ansprüchen moderner Steuer- und Regelungsalgorithmen in mobilen Anwendungen gerecht zu werden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit eine optimierte Ansteuerung zur Beschleunigung der Schieberdynamik entworfen. Aus Kostengründen und aus konstruktiven Gründen soll vom Einsatz eines Lagesensors für die Position des Ventilschiebers abgesehen werden. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird zunächst das dynamische Verhalten des Mobilventils mit einem mathematischen Modell abgebildet. Dabei bedient man sich der Grundgesetze der Mechanik und der Fluiddynamik. Die Parameter des Modells werden an ein reales Ventil angepasst und das Ergebnis wird anhand von Messungen validiert. Auf Basis des dynamischen Modells wird in weiterer Folge eine flachheitsbasierte Vorsteuerung entworfen. Dazu wird zunächst ein vereinfachtes Modell abgeleitet, welches als Ausgangspunkt zur Herleitung eines Stellgesetzes dient. Die Funktion dieser Steuerung wird anhand von Simulationsstudien gezeigt. Zunächst werden Stellgrößenbeschränkungen und die zeitdiskrete Implementierung sowie die Ansteuerung mit PWM und überlagertem Dither-Signal untersucht. Darüber hinaus wird das Verhalten bei Strömungskräften und Parametervariationen analysiert. Es zeigt sich, dass mit der entwickelten Methode auch ohne die Verwendung eines Wegsensors die Dynamik des Mobilventils verbessert und deutlich beschleunigt werden kann.

This diploma thesis deals with the control design of mobile valves. The investigations in this work are concerned with an electro-hydraulically actuated spool-type directional control valve. The industry for mobile machinery shows a growing demand for such valves with an improved dynamical performance to meet the high requirements of modern control algorithms. Therefore, this thesis focuses on developing an improved concept to control the spool of a mobile valve. The need for a sensor to capture the spool's position shall be avoided due to cost and constructive considerations. First, a mathematical model of the mobile valve is developed. For this purpose, the basic laws of mechanics and fluid dynamics are applied. The parameters of the derived model are adapted to fit a real valve. The resulting model is then validated by comparing simulation results with dynamic measurements of the mobile valve. In the next step, the model is simplified to reduce its complexity. This reduced model is further used to develop a flatness-based feed-forward control algorithm. For showing that the proposed approach works, several simulation studies are performed. In this work, the limitations of the actuating variables, the time-discrete implementation as well as the usage of PWM concepts and dither signals for controlling the valve-s voltage inputs are analyzed. Moreover, jet forces and variations of parameter values are investigated in more detail. The results show that the flatness-based feed-forward control brings along a significant improvement of the valve's dynamical behavior without the need of a spool position sensor.