用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
【专利说明】用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
[0001 ]本发明涉及确定正容积式栗中的物理变量的方法。
[0002] 正容积式栗通常具有可动的排量元件，可动的排量元件界定计量室，计量室由阀 连接到抽吸管线和压力管线。这导致由于排量元件的振荡运动，递送流体能交替地通过抽 吸管线而被吸入到计量室内和能由压力管线从计量室被推压出来。为此目的，提供用于排 量元件的振荡运动的驱动装置。
[0003] 存在例如电磁驱动的隔膜栗，其中，排量元件是隔膜，隔膜能在两个极端位置之间 往复移动，其中，计量室的体积在第一极端位置最小，而计量室的体积在第二极端位置最 大。因此，如果隔膜从其第一位置运动到第二位置，那么在计量室中的压力将降低，使得递 送流体通过抽吸管线被吸入到计量室内。在返回运动中，也就是说，在从第二位置到第一位 置的运动中，关闭到通向抽吸管线的连接，由于计量室中的体积减小，递送流体的压力将升 高，使得通向压力管线的阀打开，并且递送流体被递送到压力管线内。由于隔膜的振荡运 动，递送流体交替地从抽吸管线被吸入到计量室内并且从计量室被递送到压力管线内。在 压力管线中的递送流体流动也被称作计量曲线。计量曲线基本上由排量元件的运动曲线确 定。
[0004] 在电磁驱动的隔膜栗的情况下，隔膜连接到压力部分，在大部分情况下，压力部分 以弹性预加应力方式至少部分地支承于螺线管内。只要螺线管不具有流过它的电流使得并 无磁通量形成于其内部，弹性预加应力使压力部分，并且因此使隔膜保持在预定位置，例如 第二位置，也就是说，其中计量室处于最大体积所在的位置。
[0005] 如果现在电流外加到螺线管上，产生磁通量，这使得经适当设计的压力部分在螺 线管内从其第二位置运动到第一位置，由此，在计量室中的递送流体从那里被递送到压力 管线内。
[0006] 因此，螺线管的激活基本上包括压力部分的突然冲程运动和因此计量隔膜从第二 位置运动到第一位置。
[0007] 通常，当待计量的流体体积显著地大于计量室的体积时使用这种电磁驱动的隔膜 栗，以使得计量速度基本上由电流通过螺线管流动的频率或循环确定。如果例如计量速度 加倍，那么螺线管同时以两倍的频率短暂施加电流，而这将导致隔膜的运动循环以二倍频 率发生。
[0008] 这种磁性计量栗例如描述于EP 1 757 809中。
[0009] 然而，当仅需要低计量速度时，使用这种磁性计量栗会遭遇其局限性，使得并不希 望有整个冲程运动的突然的计量作用。
[0010]因此上文所提到的EP 1 757 809已经提出了提供位置传感器，利用位置传感器能 确定压力部分或者连接到压力部分的隔膜的位置。运动的闭环控制可随后通过比较压力部 分的实际位置与压力部分的预定目标位置来实现。
[0011] 对压力部分运动的闭环控制设置为当冲程运动不再突然发生而是以调节的方式 发生时，磁性计量栗也可以用于递送显著更少量的流体。
[0012] 特别地当计量的量很小时，例如计量栗的阀打开和阀闭合时间起到很大作用，因 为它们决定实际计量操作的开始和结束。
[0013] 此外，在液压系统中的气泡和/或在计量单元的栗头中的气穴现象可能会减少实 际计量的量，这可能会显著地降低计量准确度，特别是当涉及很少的计量的量时。
[0014] 因此，例如，原则上能利用压力传感器来测量在计量室中的流体压力并且使用测 量结果来得出关于计量头中的过程的结论，如在液压系统中的气泡、气穴现象和/或在计量 头中的过大压力。
[0015] 然而，这种压力传感器提高了计量栗的成本，压力传感器易于出现故障并且其必 须被维护。
[0016] 特别地，当计量栗用于食品行业中时，计量室必须定期进行非常彻底的清洁。
[0017] 在清洁操作中，要将产品流体残余物从例如在接合部出现的所有凹部谨慎地移 除。因此存在与压力流体接触的额外传感器增加了清洁复杂性和劳动强度，因为必须额外 地清洁在传感器与计量室之间的接合部。
[0018] 因此，本发明的目的在于提供一种确定物理变量、例如流体压力的方法，可以确定 该变量，而不需要使用额外传感器。
[0019] 根据本发明，实现了这个目的，因为对于排量元件而言，基于物理模型建立微分方 程，至少测量排量元件的位置，并且利用该微分方程来确定该物理变量、例如流体压力。例 如，微分方程可以是运动方程。术语运动方程用于表示如下数学方程，该数学方程描述了在 外部影响作用下排量元件的空间和时间运动。
[0020] 在下文中，首先参考确定流体压力为示例来描述本发明。然而，本发明并不限于确 定流体压力。在下文中进一步描述了另外的示例。
[0021] 排量元件的位置测量可以例如非接触方式实现，并且在任何情况下通常在所描述 的计量栗中实现，使得能提供关于排量元件的当前主要位置的信息。排量元件的运动方程 考虑到作用于排量元件上的所有力。除了驱动装置施加到排量元件上的力之外，也存在由 计量室中的流体压力施加到隔膜上和因此施加到排量元件上的反作用力。
[0022] 因此，如果已知由驱动装置施加到排量元件上的力，则能从排量元件的位置或者 排量元件的速度(可以从位置推导出速度)或加速度得出关于计量头中的流体压力的结论。 [0023]在一优选实施例中，正容积式栗是电磁驱动的计量栗，优选地是电磁驱动的隔膜 栗。
[0024] 在那种情况下，有利地是，除了所述排量元件的位置之外，还测量通过电磁驱动装 置的电流，并且微分方程使用排量元件的位置以及通过电磁驱动装置的电流作为测量变 量。一般而言，无需检测另外的测量变量。由驱动装置施加到排量元件上的力可以通过测量 排量元件的位置和测量通过电磁驱动装置的电流来确定，并且可以从排量元件的运动来确 定在计量头中的压力。
[0025] 例如，如果实际流体压力达到或超过预定最大值，能输出警告信号并且将警告信 号发送到自动关闭装置，自动关闭装置响应于对警告信号的接收而关闭计量栗。因此，如果 由于任何原因，阀不打开或者在压力管线上的压力显著升高，这能由根据本发明的方法来 确定而无需使用压力传感器，并且为了安全起见可以关闭栗。基本上，具有相关联的驱动装 置的排量元件额外地执行压力传感器的功能。
[0026] 在该方法的另一优选实施例中，对于排量元件的运动循环，提供排量元件的目标 流体压力曲线、目标位置曲线和/或通过电磁驱动装置的目标电流图案。在此情况下，能比 较实际流体压力与目标流体压力，能比较排量的实际位置与排量元件的目标位置和/或比 较通过电磁驱动装置的实际电流与通过电磁驱动装置的目标电流，并且如果在实际值与目 标值之间的差异满足预定标准，输出警告信号。
[0027]该方法步骤是基于以下构思:例如在液压系统中的气泡或者在栗头中的气穴的给 定事件预期会造成流体压力可识别的变化，并且因此可以从确定流体压力的步骤得到关于 所述事件的结论。
[0028]警告信号可以激活例如光学显示或声音显示。然而，替代地或组合地，也可以将警 告信号直接提供给控制单元，控制单元响应于接收到的警告信号进行合适测量。
[0029]在最简单的情况下，对于测量或给定变量中的一个或多个确定在实际值与目标值 之间的差异，并且如果差异之一超过预定值，输出警告信号。
[0030] 然而，为了不仅检测到可能的故障事件，例如在计量室中的气泡或者发生气穴，而 且还要将它们彼此区分，能为每个故障事件限定专用的标准。
[0031] 在一优选实施例中，确定与目标值的相对偏差的加权和并且选择标准，以使得如 果加权和超过预定值，输出警告信号。
[0032] 不同的加权系数可能与不同的故障事件相关联。在理想情况下，在发生故障事件 时，精确地满足一个标准从而能诊断故障事件。
[0033] 因此，能通过所描述的方法来进行确定计量头中的压力的步骤，而无需借助于压 力传感器，并且能从以那种方式确定的压力得出在计量头中给定条件的结论，并且它们然 后可以触发给定测量的起始。
[0034]利用根据本发明的方法，可以非常精确地确定压力变化。
[0035]因此，在再一实施例中，确定经测量或给定的变量的时间梯度，并且如果其超过了 预定极限值，诊断阀打开或阀闭合。
[0036]在替代实施例中，排量元件的质量m、向排量元件预加应力的弹簧的弹簧常数k、电 磁驱动装置的阻尼d和/或电阻Ro1被确定为物理变量。
[0037]在一特别优选的实施例中，甚至确定所有所述变量。这可以通过最小化计算来实 现。除了计量室中的压力之外，所有规定的变量表示能通过实验确定并且通常在栗操作中 不变的常数。然而，不同元件可能发生疲劳现象，这改变了常数值。例如， 经测量的压力-行 程关系可以与预期的压力-行程关系进行比较。在一循环中从两种关系求积分的差异可以 由于常数参数的变化而最小化。如果在那种情况下确定了例如弹簧常数改变，可以诊断出 有缺陷的弹簧。
[0038]这种最小化操作也可以在基本无压力的条件下执行，也就是说当在计量室中不存 在流体时。
[0039] 根据本发明的方法还在优选实施例中进一步发展从而改进对压力部分运动的闭 环控制，更具体地，无需在之前对控制参数进行列表。因此能改进利用正容积式栗能实现的 计量曲线。
[0040] 为此目的，使用基于模型的闭环控制、特别是基于非线性模型的控制来驱动排量 元件。
[0041] 在基于模型控制的情况下，发展了工艺动态尽可能完整的模型。简言之，利用那种 模型，能随后预测出在下一次运动中，系统变量向哪里运动。
[0042]然后也可以从那个模型计算合适的调整参数。这种基于模型控制的特征因此是使 用该模型给出的系统参数来基于测量变量的必需调整参数的继续计算。
[0043]大体上，通过建模，近似地以数学方式来描述基本物理系统。那种数学描述然后用 来基于所获得的测量变量计算调整参数。不同于已知的计量曲线优化方法，驱动装置因此 不再被视作"黑箱"。相反，使用已知的物理关系来确定调整参数。排量元件的根据本发明的 微分方程可以用于那个目的。
[0044]在那方面，在优选实施例中，正容积式栗专有的、并且作用于压力部分上的力以微 分方程建模。因此，例如，能对由弹簧施加到压力部分上的力、或者其弹簧常数k和/或由磁 性驱动装置施加到压力部分上的磁力建模。由递送流体施加到压力部分上的力可随后视为 干涉变量。
[0045] 如果检测到测量变量，则可以随后通过这种状态空间模型来对紧接着的系统行为 进行预测。
[0046] 如果以那种方式预测的紧接着的行为偏离于所希望的预定行为，向该系统施加校 正影响。
[0047] 为了计算合适的影响看上去是如何的，能在相同模型中模拟可用的调整参数对于 闭环控制变量的影响。然后利用已知的优化方法适应性地选择瞬间最佳控制策略。作为其 替代，也能基于模型来一次性确定控制策略并且然后根据经测量的测量变量来采用这种控 制策略。
[0048]因此，在一优选实施例中，选择非线性状态空间模型，其中利用李雅普诺夫控制函 数(control-Lyapunov function)、利用具有基于平坦性的预控制的基于平坦性的闭环控 制方法、利用积分反推方法、利用滑模方法或者利用预测闭环控制实现了非线性闭环控制。 在这样的情况下，优选利用李雅普诺夫控制函数的非线性闭环控制。
[0049] 所有五种方法在数学领域中都是已知的，并且因此将不在本文中更详细地讨论。
[0050] 李雅普诺夫控制函数例如是李雅普诺夫函数(Lyapunov function)的一般化描 述。合适选择的李雅普诺夫控制函数产生模型情形下的稳定行为。
[0051] 换言之，计算校正函数，在底层模型中，校正函数产生该模型的稳定方案。
[0052] -般而言，存在许多控制选项，其具有以下结果:在底层模型中，在实际曲线与目 标曲线之间的差异变得更小。
[0053]在一优选实施例中，形成基于模型的闭环控制的基础的模型用于将优化问题公式 化，其中，作为优化的次要条件，在电动马达的电压和因此供应给计量栗的能量变得尽可能 小，但是同时，实现了尽可能快并且具有较小过冲的实际曲线与目标曲线的近似。此外，可 能有利的是，经测量的信号经受低通滤波，之后在基本模型中进行处理以便减小噪音影响。
[0054] 在另一特别优选的实施例中，设置为在抽吸-压力循环期间，检测在排量元件的经 检测的实际位置曲线与排量元件的目标位置曲线之间的差异，并且与以该差异减小的所希 望的目标位置曲线对应的目标位置曲线用于下一吸力-压力循环。
[0055] 基本上，在此处实施自学习系统。公认地，根据本发明的基于模型的闭环控制已经 导致在控制特征方面的显著改进，然而在目标曲线与实际曲线之间可能存在偏差。特别地 在控制干预的能量最小化选择中并未避免这点。为了进一步减少这种偏差，至少对于后来 的循环，检测在一循环期间的偏差并且所检测到的偏差至少部分地从下一循环中所希望的 目标位置曲线减去。
[0056]换言之，对于后面的压力-抽吸循环，有意地预定"错误"目标值曲线，其中"错误" 目标值曲线从先前循环中所取得的经验计算出来。如果更具体地说，后来的吸力-压力循环 需要在前一循环中实际曲线与目标曲线之间完全相同的偏差，使用"错误"目标值曲线具有 以下效果:实现了实际上所希望的目标值曲线。
[0057]公知地，执行所希望的自学习步骤仅一次基本上是可能的并且由于系统的周期性 行为，在某些应用中也是足够的，也就是说，在第一循环中测量差异，并且从第二循环和在 所有进一步的循环中适当地校正目标值曲线。然而，特别优选地，以有规律的间隔，最佳地 在每个循环中，确定在实际曲线与目标曲线之间的差异，并且在后来的循环中相对应地考 虑这些差异。
[0058]应认识到，也能仅使用所检测的差异的仅一部分作为后来的一个或多个循环的曲 线校正。特别地在其中所检测的差异很大的情形中，这可能是很有利的，以便不因为目标值 突然变化而造成系统不稳定。
[0059]此外，能基于在目标曲线与实际曲线之间的当前主要的差异来确定所检测的差异 的部分量值，这个部分量值用作曲线校正。
[0060] 也可能在多个循环、例如2个循环测量实际曲线与目标曲线之间的差异，并且从该 差异计算出平均差异，然后至少部分地从后来的循环的目标曲线减去平均差异。
[0061] 在另一替代实施例中，根据所检测的差异的任何函数可以用于校正下一目标位置 曲线。
[0062] 在另一特别优选的实施例中，由此将其设置成也对于液压系统设立液压参数的物 理模型，并且利用优化计算来计算出至少一个液压参数。
[0063] 术语液压参数用来表示影响递送流体通过计量室流动的液压系统的任何参数(除 了排量元件的位置之外）。
[0064] 因此，液压参数例如是计量室中的递送流体的密度和在该腔室中的流体粘度。另 外的液压参数例如是软管或管长度和至少暂时连接到计量室的软管或管的直径。
[0065] 这种测量使得能确定液压参数，而无需设置额外传感器。
[0066] 正容积式栗的固有性质在于，每当阀之一(计量室通过该阀连接到抽吸和压力管 线)打开或闭合时液压系统显著地改变。
[0067] 对于其中通向抽吸管线的阀打开和通向压力管线的阀闭合的情形，该系统用于建 模最简单。更具体而言，柔性软管常常装配到通向抽吸管线的阀上，并且软管止于在环境压 力下的供应容器中。
[0068] 在所谓的吸力冲程运动期间、也就是说在排量元件从第二位置运动到第一位置时 发生那种状态。关于层流和湍流，可以例如利用非线性纳维一斯托克斯方程来描述那种液 压系统。除了递送流体的密度和粘度之外，将吸力阀连接到供应容器的软管的直径、软管长 度和软管中流体必须克服的高度差异也被认为是液压参数。
[0069] 取决于所用的相应系统，可以做出另一有意义的假设。利用能由已知梯度方法或 者莱文贝格一马夸特(Levenberg-Marquardt)算法实现的优化计算，能确定包含在物理模 型中并且最佳地描述计量头中的压力变化的液压参数以及从液压参数推导出的压力部分 的运动或速度和加速度。
[0070] 在原则上，根据本发明的确定的方法可以仅通过对吸力冲程性能进行重复分析来 实现。
[0071] 然而，作为其替代，也能对于其中通向抽吸管线的阀闭合并且通向压力管线的阀 打开的情形考虑液压系统的物理模型。然而，栗制造商通常最初并不知道在什么环境下使 用计量栗，并且因此也不知道连接到压力阀（其将压力管线连接到计量室）的管系统，在这 里仅做出一般性假设。因此，不知道连接到压力阀的管系统，不能以吸力冲程期间液压系统 通常可能的准确度来设置物理模型。
[0072] 在特别优选的实施例中，关于所述的两种液压系统的物理模型都使用，并且然后 测量或确定阀打开时间，并且分别地，根据确定阀打开时间的结果来选择正确的物理模型。 基本上，随后对吸力冲程和压力冲程单独地执行根据本发明的方法。在这两种情况下，对于 液压参数，如递送流体的密度和粘度，获得实际上并不完全相同的值。在原则上，因此能对 不同的值求平均值，在此情况下，在某些环境下需要考虑以下事实:在吸力冲程期间，为了 通过物理模型对实际情形进行更好的描述，在吸力冲程期间获得的值在平均化操作中比在 压力冲程期间确定的值在更大程度上加权。
[0073] 在以根据本发明的方式确定了液压参数之后，所建立的物理模型可 以用于以那种 方式确定的液压参数，以便确定在计量室中的压力。这个信息可以用于改进压力部分的运 动调节，从而利用以那种方式确定的液压参数来对流体向压力部分施加的力进行建模。
[0074] 在下文优选实施例的描述和附图中，另外的优点、特点和可能的用途将会变得显 然，在附图中：
[0075] 图1示出了在正常条件下压力-行程曲线图和行程-时间曲线图的示意图，
[0076] 图2示出了在计量室中具有气泡的条件下的压力-行程曲线图和行程-时间曲线图 的示意图，
[0077]图3示出了理想运动曲线的示意图，
[0078I图4示出了自学习功能的示意图，
[0079]图5示出了连接到正容积式栗的抽吸管线的示意图；以及
[0080] 图6a至图6e示出了液压参数和其时间相关性发展的示例。
【具体实施方式】
[0081] 关于磁性计量栗发展了根据本发明的方法。在优选实施例中，这种计量栗具有可 动的压力部分，可动的压力部分具有固定地连接到它的推力杆。压力部分在固定地锚固到 栗外壳上的磁体壳中沿着纵向轴线被可轴向移动地支承，使得当对磁体壳中的磁性线圈被 电激励时，克服压缩弹簧力，将具有推力杆的压力部分牵拉到磁体壳的内孔内，并且在对螺 线管不再被激励之后，压力部分由于压缩弹簧而回复到初始位置。这导致在对磁性线圈继 续激励和去激励时压力部分和由压力部分促动的隔膜执行振荡运动，在布置于纵向轴线的 计量头中，结合出口阀和入口阀，振荡运动导致栗送冲程(压力冲程)和吸入冲程（抽吸冲 程）。通过向线圈施加电压而实现了磁性线圈的激励。因此能由线圈处的电压的时间图形来 确定压力部分的运动。
[0082]应意识到压力冲程和吸力冲程无需持续相同的时段。在抽吸冲程期间并不进行计 量，而是计量室仅再填充递送流体，相比而言，在任何情况下，有利地尽可能快地执行吸力 冲程，然而，在此方面，必须谨慎以确保在压力腔室中并不发生气穴。
[0083]根据本发明，因此发展了一种(非线性)模型，其描述了磁性系统的条件。
[0084]以下模型适用于优选实施例：
[0086] 其中
[0087] m:压力部分的质量
[0088] Φ:磁通量
[0089] KlW Φ2:磁力
[0090] Ni:匝数
[0091] u:电压
[0092] d:阻尼 [0093] k:弹簧常数
[0094] Fvcir:由于弹簧预加应力而加在压力部分上的力 [0095] Fp:由于在递送腔室中的流体压力而加在压力部分上的力 [0096]心..（ΑΦ):磁阻
[0097] Rcu:线圈的欧姆电阻 [0098] X:压力部分的位置
[0099] δ :在电枢与磁体之间的间隙大小
[0100] 这是非线性微分方程系统。它使得有可能提供关于从起点开始的对系统紧接着的 行为的预测。
[0101] 通过测量压力部分的位置和通过磁性驱动装置的电流，FP、即由于递送腔室中的 流体压力所造成的压力部分上的力是唯一未知的变量。因此，使用该模型，能够确定由于递 送腔室中的流体压力而作用于压力部分上的力。由于经受流体压力的压力部分的面积是已 知的，能从这个力计算出流体压力。
[0102] 所描述的用于电磁计量栗系统的非线性系统草案使得能使用基于模型的诊断方 法。为了那个目的，对系统模型的状态参数进行评估，并且确定电磁计量栗的栗头中的压 力。在那种情况下，为控制目的已将必需的电流和位置传感器安装于栗系统中，使得可获得 信息，而无需增补计量栗的结构。然后可以基于状态参数的时间变化和栗计量头中的压力 来执行诊断算法。
[0103] 因此，例如，能实施过程侧超压的基于模型的诊断，并且能实施栗的自动关闭。
[0104] 能例如通过确定并且评估系统模型的有关状态参数的时间梯度来实现对阀打开 和阀闭合时间的识别。能由预定限度来检测涉及了超过或低于状态梯度的情形，这导致能 确定阀打开和阀闭合时间。
[0105] 作为替代，能根据压力部分的位置来确定压力并且从评估操作来推导出阀打开和 阀闭合时间。在图1中的左边示出了相对应的压力-行程曲线图。在图1的右边示出了相关联 的行程-时间曲线图。行程-时间曲线图示出了压力部分的关于时间的运动。可以看出压力 部分首先从开始位置IU = Omm)向前运动并且减小了计量室的体积(压力阶段）。在时间3， 压力部分经过最大值并且然后再次往回运动到开始位置(吸力阶段）。
[0106] 在图1的左边示出了相关联的压力-行程曲线图。其在顺时针方向上行进，始于坐 标原点，在坐标原点，压力部分在位置1。在压力阶段，在计量室中的压力最初陡然升高，直 到压力处于打开阀以通向压力管线的位置。一旦压力阀打开，在计量室中的压力保持基本 上恒定。由附图标记2来表示打开点。从这个时刻(其也在图1的右边示出），发生计量动作。 随着压力部分每一次进一步的运动，计量流体被栗送到压力管线内。一旦压力部分达到最 大位置(时间3)，压力部分的运动就反向，压力阀立即闭合并且在计量室中的压力再次降 低。一旦达到最小压力(时间4)，吸力阀就打开，将计量室连接到抽吸管线，并且计量流体被 吸入计量室内，直到再回到开始位置。
[0107] 从行程-时间曲线图可以确定阀闭合时间，因为阀闭合时间是压力部分的行程最 大值。时间2和4、即阀打开时间并不易于确定，特别是在实践中，压力-行程曲线图具有倒圆 "拐角"。因此，例如，始于压力-行程曲线图中的位置1，在到达压力最大值的90% (从位置3 已知)时，可以读取行程，并且能确定在点1与2之间的压力-行程曲线图的梯度。以虚线示出 90%曲线。所得到的直线与曲线p = pmax在阀打开时间相交。时间4也可以相同方式确定。能 够在每个循环中实现该确定操作并且将结果用于下一循环。以那种方式，也检测到打开时 间变化。
[0108] 能通过比较个别状态参数的目标轨迹与实际轨迹来诊断在液压系统中的气泡、在 计量单元栗头中的气穴和/或计量单元的阀打开时间和阀闭合时间。特别是当目标轨迹与 实际轨迹之间超过预定故障限度时，能触发警告信号和相对应的测量。
[0109] 在图2中示出了一示例。此处还示出了在左边的压力-行程曲线图和在右边的行 程-时间曲线图。右边的图与图1中的相对应曲线图相同。如果在液压系统中存在可压缩的 气泡，则具有以下结果:压力阀仅在时间2'打开并且吸力阀仅在时间4'打开。阀打开时间的 显著迀移因此可以用于诊断"在计量室中有空气"的状态。在气穴的情况下，仅阀打开时间 4'而非阀打开时间2迀移，使得这种行为可以用于诊断状态"气穴"。
[0110]通过分析个别相关的系统状态参数，所给出的基于模型的方法允许比先前所实施 的诊断基本上更广泛和更高级的诊断。
[0111] 此外，这可以以低传感器系统成本和高水平的可靠性和确定性来实现。更高品质 的诊断表示电磁计量栗系统的使用面积能在某些情况下增加，因为现在极大地改进了计量 准确度。
[0112] 此外，利用这种模型能确定在目标曲线与实际曲线之间未来或实际上已经存在的 偏差。这种模型也可以用来计算控制干预的可能影响。
[0113] 因此，对于电流强度和压力部分位置的实时测量决定这种系统将可能如何发展。 也能计算控制干预，也就是说磁性线圈的电压变化，系统通过该电压能在所希望的方向上 再次运动。
[0114] 为了实现压力部分的运动，如在图3的理想化形式中所示，压力部分的运动必须经 受闭环控制。
[0115] 应当意识到，存在很多种可能的对系统干预以进行闭环控制的方式。因此，能在任 何时刻寻求动态系统的稳定方案。持续地重复这个计算步骤，也就是说以可用计算能力所 允许的频率，实现最佳闭环控制。
[0116] 利用此处提出的模型，通常不需要在每个时刻确定动态系统的新稳定方案。一般 而言，根据测量变量，也就是说根据压力部分的位置和磁体驱动装置的电压，仅确定合适校 正函数一次就足够了，并且在之后将该校正函数用于闭环控制。
[0117] 尽管采用了那种闭环控制，在目标值与实际值之间仍不可避免地存在偏差，因为 选定模型总是表示理想化条件。此外，所检测的测量变量总是易于出现误差(噪声）。
[0118] 为了进一步减小在实际曲线与目标曲线之间的差异，在压力-抽吸循环期间测量 差异，并且将测量到的差异与所希望的目标曲线之和用作下一循环的目标曲线。换言之，使 利压力-冲程循环重复进行这一事实。因此，在随后的循环中，存在预定的目标值曲线，其相 对于实际希望的目标值曲线有偏差。
[0119] 为了清楚目的，在图4中示意性地示出了自调节原理。图中压力部分的位置示出于 Y轴线上，而时间则在X轴 线上。
[0120] 在第一循环中，以虚线示出了用于闭环控制的目标曲线。该目标曲线对应于所希 望的目标曲线，所希望的目标曲线在第三循环中被复制作为参考曲线，以供比较。尽管利用 了根据本发明的基于模型的闭环控制，实际曲线仍将与目标曲线有偏差。因此，在图4中的 第一循环中，例如以实线示出了实际曲线。在那种情况下，为了清楚起见，以比实际上发生 的偏差更显著地示出了在实际曲线与目标曲线之间的偏差。
[0121] 在第二循环中，随后将第一循环的实际曲线与参考曲线之间的差异从用于第一循 环的目标曲线减去并且将该差异用作目标曲线以在第二循环期间进行闭环控制。以那种方 式获得的目标曲线在第二循环中以虚线示出。
[0122] 在第二循环中的理想情况下，实际曲线以与第一循环中观察的相同程度与所用的 目标曲线有偏差。因此，存在对应于参考曲线的实际曲线(在第二循环中以实线示出）。
[0123] 利用物理模型的设计，特别是在计量室中或者在连接到计量栗系统的计量室的管 线中液压过程的非线性系统描述，能实时使用基于模型的确定方法。为了这个目的，评估液 压参数、即液压模型的状态参数，并且确定系统动态以及液压过程的参数。
[0124] 排量元件的位置或者可以从该位置推导出的排量元件的速度和加速度以及由可 隔膜施加到递送流体上的力来确定的计量室中的压力被用作待确定的测量变量或者外部 变量。
[0125] -般而言，在规定的正容积式栗中，抽吸管线包括软管，软管将吸力阀连接到供应 容器，对于抽吸冲程、即在压力阀闭合并且吸力阀打开时，液压系统能以简化形式描述，如 图5所示。抽吸管线包括软管，该软管具有直径Ds和软管长度L。软管桥接高度差Z。
[0126] 如果假定抽吸管线具有恒定直径并且不可伸展并且使用不可压缩的流体，可以简 化非线性纳维一斯托克斯方程。
[0127] 利用已知的优化方法，例如，梯度方法或莱文贝格一马夸特算法，现确定液压参 数，液压参数基于模型能最佳地描述压力部分中所测量的或确定的位置以及计量室中所测 量的或确定的压力。
[0128] 图6a至图6e，例如使用甘油作为递送流体，此处各示出了液压参数(虚线）和来自 根据本发明的方法相对于时间的值(实线）。
[0129] 因此，例如图6a示出了递送流体的密度。其为大约1260kg/m3(虚线）。可以看出，根 据本发明的方法能够在约100秒内确定密度。诚然，在时间t = 0秒，给定值仍显著地低于实 际值。然而，通过继续优化，通过根据本发明的方法确定的密度值很快接近真实值(实线）。
[0130] 这同样适用于软管长度L(参看图6b)、高度差异Z(参看图6c)、软管直径（参看图 6d)和粘度(参看图6e)。
[0131] 通过根据本发明的方法确定的参数然后可以一起用于所产生的物理模型以便确 定由液压系统施加到压力部分上的力。
[0132] 该信息可以用于根据本发明的闭环控制。因此，所开发出的液压模型可以物理地 再现液压系统的影响并且以干扰变量侵入的形式来考虑这种影响。
[0133] 这再次显著地改进了电磁计量栗系统的栗操作。
【主权项】
1. 一种确定正容积式栗中的至少一个物理变量的方法，其中所述正容积式栗具有可动 的排量元件，所述可动的排量元件界定计量室，所述计量室由阀连接到抽吸管线和压力管 线，使得通过所述排量元件的振荡运动，递送流体能交替地由所述抽吸管线吸入到所述计 量室以及由所述压力管线从所述计量室压出，其中，设置有用于所述排量元件的振荡运动 的驱动装置，其特征在于，对于所述排量元件，基于物理模型建立微分方程，至少测量所述 排量元件的位置，并且利用所述微分方程来确定所述物理变量。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在正容积式栗的计量室中的递送流体的流 体压力P被确定为所述物理变量。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述正容积式栗是电磁驱动的计量栗， 优选地电磁驱动的隔膜栗。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，除了所述排量元件的位置，测量通过所述 电磁驱动装置的电流，并且所述微分方程使用所述排量元件的位置以及通过所述电磁驱动 装置的电流作为测量变量，其中优选地，所述微分方程并不具有任何另外的待检测测量变 量。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，如果实际流体压力到达或超 过预定最大值，输出警告信号并且优选地将所述警告信号发送到自动关闭装置，所述自动 关闭装置响应于接收到所述警告信号而关闭所述计量栗。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述排量元件的运动循 环，提供所述排量元件的目标流体压力曲线、目标位置曲线和/或通过所述电磁驱动装置的 目标电流图形并且将所述实际流体压力与所述目标流体压力比较、将所述排量的实际位置 与所述排量元件的目标位置比较和/或将通过所述电磁驱动装置的实际电流与通过所述电 磁驱动装置的目标电流比较，并且，如果在所述实际值与所述目标值之间的差异满足预定 标准，输出警告信号。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定与所述目标值的相对偏差的加权和， 并且选择所述标准，以使得如果所述加权和超过预定值，则输出警告信号。8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，预定多个标准，将故障事件与每个所述 标准相关联，并且如果满足了一个标准，则诊断相关联的所述故障事件。9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述排量元件的质量m、向所 述排量元件预加应力的所述弹簧的弹簧常数k、所述电磁驱动装置的阻尼d和/或所述电阻 Rcu被确定为所述物理变量。10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，基于模型的闭环控制用于所 述驱动装置，其中优选地所述微分方程用于所述基于模型的闭环控制。11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，非线性状态空间模型被选择为所述模 型，其中利用李雅普诺夫控制函数、利用具有基于平坦性的预控制的基于平坦性的闭环控 制方法、利用积分反推方法、利用滑模方法或者利用预测闭环控制实现了所述非线性闭环 控制，其中优选利用李雅普诺夫控制函数的非线性闭环控制。12. 根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其特征在于，在抽吸-压力循环期间，检 测在所述排量元件的所述检测的实际位置曲线与所述排量元件的预定目标位置曲线之间 的差异，并且将所述检测的差异的至少一部分和所述预定的目标位置曲线的差异用作所述 下一抽吸-压力循环的所述目标值曲线。13. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述正容积式栗中的 液压参数，对于所述液压系统，利用液压参数建立物理模型，确定由所述排量元件施加到所 述计量室中所述流体上的力或者在所述计量室中的所述压力以及所述排量元件的位置，并 且利用优化计算来计算至少一个液压参数。14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述计量室中的所述流体密度和/或 在所述计量室中的所述流体粘度被确定为所述液压参数。15. 根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，对于其中通向所述抽吸管线的阀打 开并且通向所述压力管线的所述阀闭合的情形和/或其中通向所述抽吸管线的所述阀闭合 和通向所述压力管线的所述阀打开的情形，建立所述物理模型，其中如果对于其中通向所 述抽吸管线的阀打开并且通向所述压力管线的所述阀闭合的情形以及其中通向所述抽吸 管线的所述阀闭合和通向所述压力管线的所述阀打开的情形，都建立所述物理模型，确定 所述阀打开时间，并且根据确定所述阀打开时间的结果，选择所述物理模型。16. 根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在确定所述液压参数后， 同一物理模型用于确定由所述递送流体施加到所述排量元件上的力，并且以此方式确定的 力用于所述排量元件运动的闭环控制。
【专利摘要】本发明涉及一种确定正容积式泵中的至少一个物理变量的方法，其中正容积式泵具有可动的排量元件，可动的排量元件界定计量室，计量室经由阀连接到抽吸管线和压力管线，结果导致递送流体由于排量元件的振荡运动而能交替地经由抽吸管线被吸入到计量室内和能经由压力管线被从计量室压出，其中设置驱动装置用于排量元件的振荡运动。
【IPC分类】G05B13/04, F04B51/00, F04B43/04, F15B19/00, F04B17/04, F04B49/06
【公开号】CN105492768
【申请号】CN201480047895
【发明人】S·刘, F·肯内尔
【申请人】卓越有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月21日
【公告号】CA2921877A1, DE102013109410A1, EP3039287A1, US20160177937, WO2015028385A1
【专利说明】用于确定正容积式泵中的物理变量的方法
[0001 ]本发明涉及确定正容积式栗中的物理变量的方法。
[0002] 正容积式栗通常具有可动的排量元件，可动的排量元件界定计量室，计量室由阀 连接到抽吸管线和压力管线。这导致由于排量元件的振荡运动，递送流体能交替地通过抽 吸管线而被吸入到计量室内和能由压力管线从计量室被推压出来。为此目的，提供用于排 量元件的振荡运动的驱动装置。
[0003] 存在例如电磁驱动的隔膜栗，其中，排量元件是隔膜，隔膜能在两个极端位置之间 往复移动，其中，计量室的体积在第一极端位置最小，而计量室的体积在第二极端位置最 大。因此，如果隔膜从其第一位置运动到第二位置，那么在计量室中的压力将降低，使得递 送流体通过抽吸管线被吸入到计量室内。在返回运动中，也就是说，在从第二位置到第一位 置的运动中，关闭到通向抽吸管线的连接，由于计量室中的体积减小，递送流体的压力将升 高，使得通向压力管线的阀打开，并且递送流体被递送到压力管线内。由于隔膜的振荡运 动，递送流体交替地从抽吸管线被吸入到计量室内并且从计量室被递送到压力管线内。在 压力管线中的递送流体流动也被称作计量曲线。计量曲线基本上由排量元件的运动曲线确 定。
[0004] 在电磁驱动的隔膜栗的情况下，隔膜连接到压力部分，在大部分情况下，压力部分 以弹性预加应力方式至少部分地支承于螺线管内。只要螺线管不具有流过它的电流使得并 无磁通量形成于其内部，弹性预加应力使压力部分，并且因此使隔膜保持在预定位置，例如 第二位置，也就是说，其中计量室处于最大体积所在的位置。
[0005] 如果现在电流外加到螺线管上，产生磁通量，这使得经适当设计的压力部分在螺 线管内从其第二位置运动到第一位置，由此，在计量室中的递送流体从那里被递送到压力 管线内。
[0006] 因此，螺线管的激活基本上包括压力部分的突然冲程运动和因此计量隔膜从第二 位置运动到第一位置。
[0007] 通常，当待计量的流体体积显著地大于计量室的体积时使用这种电磁驱动的隔膜 栗，以使得计量速度基本上由电流通过螺线管流动的频率或循环确定。如果例如计量速度 加倍，那么螺线管同时以两倍的频率短暂施加电流，而这将导致隔膜的运动循环以二倍频 率发生。
[0008] 这种磁性计量栗例如描述于EP 1 757 809中。
[0009] 然而，当仅需要低计量速度时，使用这种磁性计量栗会遭遇其局限性，使得并不希 望有整个冲程运动的突然的计量作用。
[0010]因此上文所提到的EP 1 757 809已经提出了提供位置传感器，利用位置传感器能 确定压力部分或者连接到压力部分的隔膜的位置。运动的闭环控制可随后通过比较压力部 分的实际位置与压力部分的预定目标位置来实现。
[0011] 对压力部分运动的闭环控制设置为当冲程运动不再突然发生而是以调节的方式 发生时，磁性计量栗也可以用于递送显著更少量的流体。
[0012] 特别地当计量的量很小时，例如计量栗的阀打开和阀闭合时间起到很大作用，因 为它们决定实际计量操作的开始和结束。
[0013] 此外，在液压系统中的气泡和/或在计量单元的栗头中的气穴现象可能会减少实 际计量的量，这可能会显著地降低计量准确度，特别是当涉及很少的计量的量时。
[0014] 因此，例如，原则上能利用压力传感器来测量在计量室中的流体压力并且使用测 量结果来得出关于计量头中的过程的结论，如在液压系统中的气泡、气穴现象和/或在计量 头中的过大压力。
[0015] 然而，这种压力传感器提高了计量栗的成本，压力传感器易于出现故障并且其必 须被维护。
[0016] 特别地，当计量栗用于食品行业中时，计量室必须定期进行非常彻底的清洁。
[0017] 在清洁操作中，要将产品流体残余物从例如在接合部出现的所有凹部谨慎地移 除。因此存在与压力流体接触的额外传感器增加了清洁复杂性和劳动强度，因为必须额外 地清洁在传感器与计量室之间的接合部。
[0018] 因此，本发明的目的在于提供一种确定物理变量、例如流体压力的方法，可以确定 该变量，而不需要使用额外传感器。
[0019] 根据本发明，实现了这个目的，因为对于排量元件而言，基于物理模型建立微分方 程，至少测量排量元件的位置，并且利用该微分方程来确定该物理变量、例如流体压力。例 如，微分方程可以是运动方程。术语运动方程用于表示如下数学方程，该数学方程描述了在 外部影响作用下排量元件的空间和时间运动。
[0020] 在下文中，首先参考确定流体压力为示例来描述本发明。然而，本发明并不限于确 定流体压力。在下文中进一步描述了另外的示例。
[0021] 排量元件的位置测量可以例如非接触方式实现，并且在任何情况下通常在所描述 的计量栗中实现，使得能提供关于排量元件的当前主要位置的信息。排量元件的运动方程 考虑到作用于排量元件上的所有力。除了驱动装置施加到排量元件上的力之外，也存在由 计量室中的流体压力施加到隔膜上和因此施加到排量元件上的反作用力。
[0022] 因此，如果已知由驱动装置施加到排量元件上的力，则能从排量元件的位置或者 排量元件的速度(可以从位置推导出速度)或加速度得出关于计量头中的流体压力的结论。 [0023]在一优选实施例中，正容积式栗是电磁驱动的计量栗，优选地是电磁驱动的隔膜 栗。
[0024] 在那种情况下，有利地是，除了所述排量元件的位置之外，还测量通过电磁驱动装 置的电流，并且微分方程使用排量元件的位置以及通过电磁驱动装置的电流作为测量变 量。一般而言，无需检测另外的测量变量。由驱动装置施加到排量元件上的力可以通过测量 排量元件的位置和测量通过电磁驱动装置的电流来确定，并且可以从排量元件的运动来确 定在计量头中的压力。
[0025] 例如，如果实际流体压力达到或超过预定最大值，能输出警告信号并且将警告信 号发送到自动关闭装置，自动关闭装置响应于对警告信号的接收而关闭计量栗。因此，如果 由于任何原因，阀不打开或者在压力管线上的压力显著升高，这能由根据本发明的方法来 确定而无需使用压力传感器，并且为了安全起见可以关闭栗。基本上，具有相关联的驱动装 置的排量元件额外地执行压力传感器的功能。
[0026] 在该方法的另一优选实施例中，对于排量元件的运动循环，提供排量元件的目标 流体压力曲线、目标位置曲线和/或通过电磁驱动装置的目标电流图案。在此情况下，能比 较实际流体压力与目标流体压力，能比较排量的实际位置与排量元件的目标位置和/或比 较通过电磁驱动装置的实际电流与通过电磁驱动装置的目标电流，并且如果在实际值与目 标值之间的差异满足预定标准，输出警告信号。
[0027]该方法步骤是基于以下构思:例如在液压系统中的气泡或者在栗头中的气穴的给 定事件预期会造成流体压力可识别的变化，并且因此可以从确定流体压力的步骤得到关于 所述事件的结论。
[0028]警告信号可以激活例如光学显示或声音显示。然而，替代地或组合地，也可以将警 告信号直接提供给控制单元，控制单元响应于接收到的警告信号进行合适测量。
[0029]在最简单的情况下，对于测量或给定变量中的一个或多个确定在实际值与目标值 之间的差异，并且如果差异之一超过预定值，输出警告信号。
[0030] 然而，为了不仅检测到可能的故障事件，例如在计量室中的气泡或者发生气穴，而 且还要将它们彼此区分，能为每个故障事件限定专用的标准。
[0031] 在一优选实施例中，确定与目标值的相对偏差的加权和并且选择标准，以使得如 果加权和超过预定值，输出警告信号。
[0032] 不同的加权系数可能与不同的故障事件相关联。在理想情况下，在发生故障事件 时，精确地满足一个标准从而能诊断故障事件。
[0033] 因此，能通过所描述的方法来进行确定计量头中的压力的步骤，而无需借助于压 力传感器，并且能从以那种方式确定的压力得出在计量头中给定条件的结论，并且它们然 后可以触发给定测量的起始。
[0034]利用根据本发明的方法，可以非常精确地确定压力变化。
[0035]因此，在再一实施例中，确定经测量或给定的变量的时间梯度，并且如果其超过了 预定极限值，诊断阀打开或阀闭合。
[0036]在替代实施例中，排量元件的质量m、向排量元件预加应力的弹簧的弹簧常数k、电 磁驱动装置的阻尼d和/或电阻Ro1被确定为物理变量。
[0037]在一特别优选的实施例中，甚至确定所有所述变量。这可以通过最小化计算来实 现。除了计量室中的压力之外，所有规定的变量表示能通过实验确定并且通常在栗操作中 不变的常数。然而，不同元件可能发生疲劳现象，这改变了常数值。例如， 经测量的压力-行 程关系可以与预期的压力-行程关系进行比较。在一循环中从两种关系求积分的差异可以 由于常数参数的变化而最小化。如果在那种情况下确定了例如弹簧常数改变，可以诊断出 有缺陷的弹簧。
[0038]这种最小化操作也可以在基本无压力的条件下执行，也就是说当在计量室中不存 在流体时。
[0039] 根据本发明的方法还在优选实施例中进一步发展从而改进对压力部分运动的闭 环控制，更具体地，无需在之前对控制参数进行列表。因此能改进利用正容积式栗能实现的 计量曲线。
[0040] 为此目的，使用基于模型的闭环控制、特别是基于非线性模型的控制来驱动排量 元件。
[0041] 在基于模型控制的情况下，发展了工艺动态尽可能完整的模型。简言之，利用那种 模型，能随后预测出在下一次运动中，系统变量向哪里运动。
[0042]然后也可以从那个模型计算合适的调整参数。这种基于模型控制的特征因此是使 用该模型给出的系统参数来基于测量变量的必需调整参数的继续计算。
[0043]大体上，通过建模，近似地以数学方式来描述基本物理系统。那种数学描述然后用 来基于所获得的测量变量计算调整参数。不同于已知的计量曲线优化方法，驱动装置因此 不再被视作"黑箱"。相反，使用已知的物理关系来确定调整参数。排量元件的根据本发明的 微分方程可以用于那个目的。
[0044]在那方面，在优选实施例中，正容积式栗专有的、并且作用于压力部分上的力以微 分方程建模。因此，例如，能对由弹簧施加到压力部分上的力、或者其弹簧常数k和/或由磁 性驱动装置施加到压力部分上的磁力建模。由递送流体施加到压力部分上的力可随后视为 干涉变量。
[0045] 如果检测到测量变量，则可以随后通过这种状态空间模型来对紧接着的系统行为 进行预测。
[0046] 如果以那种方式预测的紧接着的行为偏离于所希望的预定行为，向该系统施加校 正影响。
[0047] 为了计算合适的影响看上去是如何的，能在相同模型中模拟可用的调整参数对于 闭环控制变量的影响。然后利用已知的优化方法适应性地选择瞬间最佳控制策略。作为其 替代，也能基于模型来一次性确定控制策略并且然后根据经测量的测量变量来采用这种控 制策略。
[0048]因此，在一优选实施例中，选择非线性状态空间模型，其中利用李雅普诺夫控制函 数(control-Lyapunov function)、利用具有基于平坦性的预控制的基于平坦性的闭环控 制方法、利用积分反推方法、利用滑模方法或者利用预测闭环控制实现了非线性闭环控制。 在这样的情况下，优选利用李雅普诺夫控制函数的非线性闭环控制。
[0049] 所有五种方法在数学领域中都是已知的，并且因此将不在本文中更详细地讨论。
[0050] 李雅普诺夫控制函数例如是李雅普诺夫函数(Lyapunov function)的一般化描 述。合适选择的李雅普诺夫控制函数产生模型情形下的稳定行为。
[0051] 换言之，计算校正函数，在底层模型中，校正函数产生该模型的稳定方案。
[0052] -般而言，存在许多控制选项，其具有以下结果:在底层模型中，在实际曲线与目 标曲线之间的差异变得更小。
[0053]在一优选实施例中，形成基于模型的闭环控制的基础的模型用于将优化问题公式 化，其中，作为优化的次要条件，在电动马达的电压和因此供应给计量栗的能量变得尽可能 小，但是同时，实现了尽可能快并且具有较小过冲的实际曲线与目标曲线的近似。此外，可 能有利的是，经测量的信号经受低通滤波，之后在基本模型中进行处理以便减小噪音影响。
[0054] 在另一特别优选的实施例中，设置为在抽吸-压力循环期间，检测在排量元件的经 检测的实际位置曲线与排量元件的目标位置曲线之间的差异，并且与以该差异减小的所希 望的目标位置曲线对应的目标位置曲线用于下一吸力-压力循环。
[0055] 基本上，在此处实施自学习系统。公认地，根据本发明的基于模型的闭环控制已经 导致在控制特征方面的显著改进，然而在目标曲线与实际曲线之间可能存在偏差。特别地 在控制干预的能量最小化选择中并未避免这点。为了进一步减少这种偏差，至少对于后来 的循环，检测在一循环期间的偏差并且所检测到的偏差至少部分地从下一循环中所希望的 目标位置曲线减去。
[0056]换言之，对于后面的压力-抽吸循环，有意地预定"错误"目标值曲线，其中"错误" 目标值曲线从先前循环中所取得的经验计算出来。如果更具体地说，后来的吸力-压力循环 需要在前一循环中实际曲线与目标曲线之间完全相同的偏差，使用"错误"目标值曲线具有 以下效果:实现了实际上所希望的目标值曲线。
[0057]公知地，执行所希望的自学习步骤仅一次基本上是可能的并且由于系统的周期性 行为，在某些应用中也是足够的，也就是说，在第一循环中测量差异，并且从第二循环和在 所有进一步的循环中适当地校正目标值曲线。然而，特别优选地，以有规律的间隔，最佳地 在每个循环中，确定在实际曲线与目标曲线之间的差异，并且在后来的循环中相对应地考 虑这些差异。
[0058]应认识到，也能仅使用所检测的差异的仅一部分作为后来的一个或多个循环的曲 线校正。特别地在其中所检测的差异很大的情形中，这可能是很有利的，以便不因为目标值 突然变化而造成系统不稳定。
[0059]此外，能基于在目标曲线与实际曲线之间的当前主要的差异来确定所检测的差异 的部分量值，这个部分量值用作曲线校正。
[0060] 也可能在多个循环、例如2个循环测量实际曲线与目标曲线之间的差异，并且从该 差异计算出平均差异，然后至少部分地从后来的循环的目标曲线减去平均差异。
[0061] 在另一替代实施例中，根据所检测的差异的任何函数可以用于校正下一目标位置 曲线。
[0062] 在另一特别优选的实施例中，由此将其设置成也对于液压系统设立液压参数的物 理模型，并且利用优化计算来计算出至少一个液压参数。
[0063] 术语液压参数用来表示影响递送流体通过计量室流动的液压系统的任何参数(除 了排量元件的位置之外）。
[0064] 因此，液压参数例如是计量室中的递送流体的密度和在该腔室中的流体粘度。另 外的液压参数例如是软管或管长度和至少暂时连接到计量室的软管或管的直径。
[0065] 这种测量使得能确定液压参数，而无需设置额外传感器。
[0066] 正容积式栗的固有性质在于，每当阀之一(计量室通过该阀连接到抽吸和压力管 线)打开或闭合时液压系统显著地改变。
[0067] 对于其中通向抽吸管线的阀打开和通向压力管线的阀闭合的情形，该系统用于建 模最简单。更具体而言，柔性软管常常装配到通向抽吸管线的阀上，并且软管止于在环境压 力下的供应容器中。
[0068] 在所谓的吸力冲程运动期间、也就是说在排量元件从第二位置运动到第一位置时 发生那种状态。关于层流和湍流，可以例如利用非线性纳维一斯托克斯方程来描述那种液 压系统。除了递送流体的密度和粘度之外，将吸力阀连接到供应容器的软管的直径、软管长 度和软管中流体必须克服的高度差异也被认为是液压参数。
[0069] 取决于所用的相应系统，可以做出另一有意义的假设。利用能由已知梯度方法或 者莱文贝格一马夸特(Levenberg-Marquardt)算法实现的优化计算，能确定包含在物理模 型中并且最佳地描述计量头中的压力变化的液压参数以及从液压参数推导出的压力部分 的运动或速度和加速度。
[0070] 在原则上，根据本发明的确定的方法可以仅通过对吸力冲程性能进行重复分析来 实现。
[0071] 然而，作为其替代，也能对于其中通向抽吸管线的阀闭合并且通向压力管线的阀 打开的情形考虑液压系统的物理模型。然而，栗制造商通常最初并不知道在什么环境下使 用计量栗，并且因此也不知道连接到压力阀（其将压力管线连接到计量室）的管系统，在这 里仅做出一般性假设。因此，不知道连接到压力阀的管系统，不能以吸力冲程期间液压系统 通常可能的准确度来设置物理模型。
[0072] 在特别优选的实施例中，关于所述的两种液压系统的物理模型都使用，并且然后 测量或确定阀打开时间，并且分别地，根据确定阀打开时间的结果来选择正确的物理模型。 基本上，随后对吸力冲程和压力冲程单独地执行根据本发明的方法。在这两种情况下，对于 液压参数，如递送流体的密度和粘度，获得实际上并不完全相同的值。在原则上，因此能对 不同的值求平均值，在此情况下，在某些环境下需要考虑以下事实:在吸力冲程期间，为了 通过物理模型对实际情形进行更好的描述，在吸力冲程期间获得的值在平均化操作中比在 压力冲程期间确定的值在更大程度上加权。
[0073] 在以根据本发明的方式确定了液压参数之后，所建立的物理模型可 以用于以那种 方式确定的液压参数，以便确定在计量室中的压力。这个信息可以用于改进压力部分的运 动调节，从而利用以那种方式确定的液压参数来对流体向压力部分施加的力进行建模。
[0074] 在下文优选实施例的描述和附图中，另外的优点、特点和可能的用途将会变得显 然，在附图中：
[0075] 图1示出了在正常条件下压力-行程曲线图和行程-时间曲线图的示意图，
[0076] 图2示出了在计量室中具有气泡的条件下的压力-行程曲线图和行程-时间曲线图 的示意图，
[0077]图3示出了理想运动曲线的示意图，
[0078I图4示出了自学习功能的示意图，
[0079]图5示出了连接到正容积式栗的抽吸管线的示意图；以及
[0080] 图6a至图6e示出了液压参数和其时间相关性发展的示例。
【具体实施方式】
[0081] 关于磁性计量栗发展了根据本发明的方法。在优选实施例中，这种计量栗具有可 动的压力部分，可动的压力部分具有固定地连接到它的推力杆。压力部分在固定地锚固到 栗外壳上的磁体壳中沿着纵向轴线被可轴向移动地支承，使得当对磁体壳中的磁性线圈被 电激励时，克服压缩弹簧力，将具有推力杆的压力部分牵拉到磁体壳的内孔内，并且在对螺 线管不再被激励之后，压力部分由于压缩弹簧而回复到初始位置。这导致在对磁性线圈继 续激励和去激励时压力部分和由压力部分促动的隔膜执行振荡运动，在布置于纵向轴线的 计量头中，结合出口阀和入口阀，振荡运动导致栗送冲程(压力冲程)和吸入冲程（抽吸冲 程）。通过向线圈施加电压而实现了磁性线圈的激励。因此能由线圈处的电压的时间图形来 确定压力部分的运动。
[0082]应意识到压力冲程和吸力冲程无需持续相同的时段。在抽吸冲程期间并不进行计 量，而是计量室仅再填充递送流体，相比而言，在任何情况下，有利地尽可能快地执行吸力 冲程，然而，在此方面，必须谨慎以确保在压力腔室中并不发生气穴。
[0083]根据本发明，因此发展了一种(非线性)模型，其描述了磁性系统的条件。
[0084]以下模型适用于优选实施例：
[0086] 其中
[0087] m:压力部分的质量
[0088] Φ:磁通量
[0089] KlW Φ2:磁力
[0090] Ni:匝数
[0091] u:电压
[0092] d:阻尼 [0093] k:弹簧常数
[0094] Fvcir:由于弹簧预加应力而加在压力部分上的力 [0095] Fp:由于在递送腔室中的流体压力而加在压力部分上的力 [0096]心..（ΑΦ):磁阻
[0097] Rcu:线圈的欧姆电阻 [0098] X:压力部分的位置
[0099] δ :在电枢与磁体之间的间隙大小
[0100] 这是非线性微分方程系统。它使得有可能提供关于从起点开始的对系统紧接着的 行为的预测。
[0101] 通过测量压力部分的位置和通过磁性驱动装置的电流，FP、即由于递送腔室中的 流体压力所造成的压力部分上的力是唯一未知的变量。因此，使用该模型，能够确定由于递 送腔室中的流体压力而作用于压力部分上的力。由于经受流体压力的压力部分的面积是已 知的，能从这个力计算出流体压力。
[0102] 所描述的用于电磁计量栗系统的非线性系统草案使得能使用基于模型的诊断方 法。为了那个目的，对系统模型的状态参数进行评估，并且确定电磁计量栗的栗头中的压 力。在那种情况下，为控制目的已将必需的电流和位置传感器安装于栗系统中，使得可获得 信息，而无需增补计量栗的结构。然后可以基于状态参数的时间变化和栗计量头中的压力 来执行诊断算法。
[0103] 因此，例如，能实施过程侧超压的基于模型的诊断，并且能实施栗的自动关闭。
[0104] 能例如通过确定并且评估系统模型的有关状态参数的时间梯度来实现对阀打开 和阀闭合时间的识别。能由预定限度来检测涉及了超过或低于状态梯度的情形，这导致能 确定阀打开和阀闭合时间。
[0105] 作为替代，能根据压力部分的位置来确定压力并且从评估操作来推导出阀打开和 阀闭合时间。在图1中的左边示出了相对应的压力-行程曲线图。在图1的右边示出了相关联 的行程-时间曲线图。行程-时间曲线图示出了压力部分的关于时间的运动。可以看出压力 部分首先从开始位置IU = Omm)向前运动并且减小了计量室的体积(压力阶段）。在时间3， 压力部分经过最大值并且然后再次往回运动到开始位置(吸力阶段）。
[0106] 在图1的左边示出了相关联的压力-行程曲线图。其在顺时针方向上行进，始于坐 标原点，在坐标原点，压力部分在位置1。在压力阶段，在计量室中的压力最初陡然升高，直 到压力处于打开阀以通向压力管线的位置。一旦压力阀打开，在计量室中的压力保持基本 上恒定。由附图标记2来表示打开点。从这个时刻(其也在图1的右边示出），发生计量动作。 随着压力部分每一次进一步的运动，计量流体被栗送到压力管线内。一旦压力部分达到最 大位置(时间3)，压力部分的运动就反向，压力阀立即闭合并且在计量室中的压力再次降 低。一旦达到最小压力(时间4)，吸力阀就打开，将计量室连接到抽吸管线，并且计量流体被 吸入计量室内，直到再回到开始位置。
[0107] 从行程-时间曲线图可以确定阀闭合时间，因为阀闭合时间是压力部分的行程最 大值。时间2和4、即阀打开时间并不易于确定，特别是在实践中，压力-行程曲线图具有倒圆 "拐角"。因此，例如，始于压力-行程曲线图中的位置1，在到达压力最大值的90% (从位置3 已知)时，可以读取行程，并且能确定在点1与2之间的压力-行程曲线图的梯度。以虚线示出 90%曲线。所得到的直线与曲线p = pmax在阀打开时间相交。时间4也可以相同方式确定。能 够在每个循环中实现该确定操作并且将结果用于下一循环。以那种方式，也检测到打开时 间变化。
[0108] 能通过比较个别状态参数的目标轨迹与实际轨迹来诊断在液压系统中的气泡、在 计量单元栗头中的气穴和/或计量单元的阀打开时间和阀闭合时间。特别是当目标轨迹与 实际轨迹之间超过预定故障限度时，能触发警告信号和相对应的测量。
[0109] 在图2中示出了一示例。此处还示出了在左边的压力-行程曲线图和在右边的行 程-时间曲线图。右边的图与图1中的相对应曲线图相同。如果在液压系统中存在可压缩的 气泡，则具有以下结果:压力阀仅在时间2'打开并且吸力阀仅在时间4'打开。阀打开时间的 显著迀移因此可以用于诊断"在计量室中有空气"的状态。在气穴的情况下，仅阀打开时间 4'而非阀打开时间2迀移，使得这种行为可以用于诊断状态"气穴"。
[0110]通过分析个别相关的系统状态参数，所给出的基于模型的方法允许比先前所实施 的诊断基本上更广泛和更高级的诊断。
[0111] 此外，这可以以低传感器系统成本和高水平的可靠性和确定性来实现。更高品质 的诊断表示电磁计量栗系统的使用面积能在某些情况下增加，因为现在极大地改进了计量 准确度。
[0112] 此外，利用这种模型能确定在目标曲线与实际曲线之间未来或实际上已经存在的 偏差。这种模型也可以用来计算控制干预的可能影响。
[0113] 因此，对于电流强度和压力部分位置的实时测量决定这种系统将可能如何发展。 也能计算控制干预，也就是说磁性线圈的电压变化，系统通过该电压能在所希望的方向上 再次运动。
[0114] 为了实现压力部分的运动，如在图3的理想化形式中所示，压力部分的运动必须经 受闭环控制。
[0115] 应当意识到，存在很多种可能的对系统干预以进行闭环控制的方式。因此，能在任 何时刻寻求动态系统的稳定方案。持续地重复这个计算步骤，也就是说以可用计算能力所 允许的频率，实现最佳闭环控制。
[0116] 利用此处提出的模型，通常不需要在每个时刻确定动态系统的新稳定方案。一般 而言，根据测量变量，也就是说根据压力部分的位置和磁体驱动装置的电压，仅确定合适校 正函数一次就足够了，并且在之后将该校正函数用于闭环控制。
[0117] 尽管采用了那种闭环控制，在目标值与实际值之间仍不可避免地存在偏差，因为 选定模型总是表示理想化条件。此外，所检测的测量变量总是易于出现误差(噪声）。
[0118] 为了进一步减小在实际曲线与目标曲线之间的差异，在压力-抽吸循环期间测量 差异，并且将测量到的差异与所希望的目标曲线之和用作下一循环的目标曲线。换言之，使 利压力-冲程循环重复进行这一事实。因此，在随后的循环中，存在预定的目标值曲线，其相 对于实际希望的目标值曲线有偏差。
[0119] 为了清楚目的，在图4中示意性地示出了自调节原理。图中压力部分的位置示出于 Y轴线上，而时间则在X轴 线上。
[0120] 在第一循环中，以虚线示出了用于闭环控制的目标曲线。该目标曲线对应于所希 望的目标曲线，所希望的目标曲线在第三循环中被复制作为参考曲线，以供比较。尽管利用 了根据本发明的基于模型的闭环控制，实际曲线仍将与目标曲线有偏差。因此，在图4中的 第一循环中，例如以实线示出了实际曲线。在那种情况下，为了清楚起见，以比实际上发生 的偏差更显著地示出了在实际曲线与目标曲线之间的偏差。
[0121] 在第二循环中，随后将第一循环的实际曲线与参考曲线之间的差异从用于第一循 环的目标曲线减去并且将该差异用作目标曲线以在第二循环期间进行闭环控制。以那种方 式获得的目标曲线在第二循环中以虚线示出。
[0122] 在第二循环中的理想情况下，实际曲线以与第一循环中观察的相同程度与所用的 目标曲线有偏差。因此，存在对应于参考曲线的实际曲线(在第二循环中以实线示出）。
[0123] 利用物理模型的设计，特别是在计量室中或者在连接到计量栗系统的计量室的管 线中液压过程的非线性系统描述，能实时使用基于模型的确定方法。为了这个目的，评估液 压参数、即液压模型的状态参数，并且确定系统动态以及液压过程的参数。
[0124] 排量元件的位置或者可以从该位置推导出的排量元件的速度和加速度以及由可 隔膜施加到递送流体上的力来确定的计量室中的压力被用作待确定的测量变量或者外部 变量。
[0125] -般而言，在规定的正容积式栗中，抽吸管线包括软管，软管将吸力阀连接到供应 容器，对于抽吸冲程、即在压力阀闭合并且吸力阀打开时，液压系统能以简化形式描述，如 图5所示。抽吸管线包括软管，该软管具有直径Ds和软管长度L。软管桥接高度差Z。
[0126] 如果假定抽吸管线具有恒定直径并且不可伸展并且使用不可压缩的流体，可以简 化非线性纳维一斯托克斯方程。
[0127] 利用已知的优化方法，例如，梯度方法或莱文贝格一马夸特算法，现确定液压参 数，液压参数基于模型能最佳地描述压力部分中所测量的或确定的位置以及计量室中所测 量的或确定的压力。
[0128] 图6a至图6e，例如使用甘油作为递送流体，此处各示出了液压参数(虚线）和来自 根据本发明的方法相对于时间的值(实线）。
[0129] 因此，例如图6a示出了递送流体的密度。其为大约1260kg/m3(虚线）。可以看出，根 据本发明的方法能够在约100秒内确定密度。诚然，在时间t = 0秒，给定值仍显著地低于实 际值。然而，通过继续优化，通过根据本发明的方法确定的密度值很快接近真实值(实线）。
[0130] 这同样适用于软管长度L(参看图6b)、高度差异Z(参看图6c)、软管直径（参看图 6d)和粘度(参看图6e)。
[0131] 通过根据本发明的方法确定的参数然后可以一起用于所产生的物理模型以便确 定由液压系统施加到压力部分上的力。
[0132] 该信息可以用于根据本发明的闭环控制。因此，所开发出的液压模型可以物理地 再现液压系统的影响并且以干扰变量侵入的形式来考虑这种影响。
[0133] 这再次显著地改进了电磁计量栗系统的栗操作。
【主权项】
1. 一种确定正容积式栗中的至少一个物理变量的方法，其中所述正容积式栗具有可动 的排量元件，所述可动的排量元件界定计量室，所述计量室由阀连接到抽吸管线和压力管 线，使得通过所述排量元件的振荡运动，递送流体能交替地由所述抽吸管线吸入到所述计 量室以及由所述压力管线从所述计量室压出，其中，设置有用于所述排量元件的振荡运动 的驱动装置，其特征在于，对于所述排量元件，基于物理模型建立微分方程，至少测量所述 排量元件的位置，并且利用所述微分方程来确定所述物理变量。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在正容积式栗的计量室中的递送流体的流 体压力P被确定为所述物理变量。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述正容积式栗是电磁驱动的计量栗， 优选地电磁驱动的隔膜栗。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，除了所述排量元件的位置，测量通过所述 电磁驱动装置的电流，并且所述微分方程使用所述排量元件的位置以及通过所述电磁驱动 装置的电流作为测量变量，其中优选地，所述微分方程并不具有任何另外的待检测测量变 量。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，如果实际流体压力到达或超 过预定最大值，输出警告信号并且优选地将所述警告信号发送到自动关闭装置，所述自动 关闭装置响应于接收到所述警告信号而关闭所述计量栗。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述排量元件的运动循 环，提供所述排量元件的目标流体压力曲线、目标位置曲线和/或通过所述电磁驱动装置的 目标电流图形并且将所述实际流体压力与所述目标流体压力比较、将所述排量的实际位置 与所述排量元件的目标位置比较和/或将通过所述电磁驱动装置的实际电流与通过所述电 磁驱动装置的目标电流比较，并且，如果在所述实际值与所述目标值之间的差异满足预定 标准，输出警告信号。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定与所述目标值的相对偏差的加权和， 并且选择所述标准，以使得如果所述加权和超过预定值，则输出警告信号。8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，预定多个标准，将故障事件与每个所述 标准相关联，并且如果满足了一个标准，则诊断相关联的所述故障事件。9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述排量元件的质量m、向所 述排量元件预加应力的所述弹簧的弹簧常数k、所述电磁驱动装置的阻尼d和/或所述电阻 Rcu被确定为所述物理变量。10. 根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，基于模型的闭环控制用于所 述驱动装置，其中优选地所述微分方程用于所述基于模型的闭环控制。11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，非线性状态空间模型被选择为所述模 型，其中利用李雅普诺夫控制函数、利用具有基于平坦性的预控制的基于平坦性的闭环控 制方法、利用积分反推方法、利用滑模方法或者利用预测闭环控制实现了所述非线性闭环 控制，其中优选利用李雅普诺夫控制函数的非线性闭环控制。12. 根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其特征在于，在抽吸-压力循环期间，检 测在所述排量元件的所述检测的实际位置曲线与所述排量元件的预定目标位置曲线之间 的差异，并且将所述检测的差异的至少一部分和所述预定的目标位置曲线的差异用作所述 下一抽吸-压力循环的所述目标值曲线。13. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述正容积式栗中的 液压参数，对于所述液压系统，利用液压参数建立物理模型，确定由所述排量元件施加到所 述计量室中所述流体上的力或者在所述计量室中的所述压力以及所述排量元件的位置，并 且利用优化计算来计算至少一个液压参数。14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述计量室中的所述流体密度和/或 在所述计量室中的所述流体粘度被确定为所述液压参数。15. 根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，对于其中通向所述抽吸管线的阀打 开并且通向所述压力管线的所述阀闭合的情形和/或其中通向所述抽吸管线的所述阀闭合 和通向所述压力管线的所述阀打开的情形，建立所述物理模型，其中如果对于其中通向所 述抽吸管线的阀打开并且通向所述压力管线的所述阀闭合的情形以及其中通向所述抽吸 管线的所述阀闭合和通向所述压力管线的所述阀打开的情形，都建立所述物理模型，确定 所述阀打开时间，并且根据确定所述阀打开时间的结果，选择所述物理模型。16. 根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在确定所述液压参数后， 同一物理模型用于确定由所述递送流体施加到所述排量元件上的力，并且以此方式确定的 力用于所述排量元件运动的闭环控制。
【专利摘要】本发明涉及一种确定正容积式泵中的至少一个物理变量的方法，其中正容积式泵具有可动的排量元件，可动的排量元件界定计量室，计量室经由阀连接到抽吸管线和压力管线，结果导致递送流体由于排量元件的振荡运动而能交替地经由抽吸管线被吸入到计量室内和能经由压力管线被从计量室压出，其中设置驱动装置用于排量元件的振荡运动。
【IPC分类】G05B13/04, F04B51/00, F04B43/04, F15B19/00, F04B17/04, F04B49/06
【公开号】CN105492768
【申请号】CN201480047895
【发明人】S·刘, F·肯内尔
【申请人】卓越有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月21日
【公告号】CA2921877A1, DE102013109410A1, EP3039287A1, US20160177937, WO2015028385A1
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