确定容积式泵中的液压参数的方法
确定容积式泵中的液压参数的方法
【专利说明】确定容积式泵中的液压参数的方法
[0001] 本发明涉及一种确定容积式栗中的液压参数的方法。容积式栗具有界定计量室的 可移动排量元件，该计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，由此所栗送的流体可以 借助于排量元件的摆动运动交替地通过抽吸管线被吸入计量室和通过压力管线从计量室 压出。容积式栗还具有用于排量元件的摆动运动的驱动器。
[0002] 例如存在电磁驱动隔膜栗，在该隔膜栗中，排量元件是可以在两个极限位置之间 前后来回移动的隔膜，其中，在第一极限位置上，计量室的容积处于最小值，而在第二极限 位置上，计量室的容积处于最大值。因此，当隔膜从其第一位置移动到第二位置上时，计量 室中的压力将下降，由此所栗送流体通过抽吸管线被吸入计量室。在向后运动、即从第二位 置到第一位置的运动的情况下，与抽吸管线的连接关闭，栗送流体的压力因计量室中的容 积减小将增大，因此至压力管线的阀门打开并且栗送流体被运送到压力管线中。通过隔膜 的摆动运动，所栗送流体交替地被从抽吸管线吸入计量室以及栗送流体被从计量室吸出， 并且所栗送流体被从计量室输送到压力管线。栗送流体进入压力管线的流量也被称为计量 曲线。该计量曲线基本上由排量元件的运动曲线确定。
[0003] 在电磁驱动隔膜栗的情况下，隔膜连接到止推构件，该止推构件通常以弹簧加载 的方式至少部分预拉伸地安装在电磁铁内。只要电磁铁没有流经其的电流，从而没有磁通 量在其内部形成，则弹簧加载的预拉伸确保止推构件和由此确保隔膜保持在预定位置，例 如第二位置，即计量室具有最大容积所处的位置。如果电流现在外加在电磁铁上，则磁通量 形成，这促使在电磁铁内的对应形成的止推构件从其第二位置到第一位置上，这致使位于 计量室中的栗送流体从计量室被输送到压力管线中。
[0004] 当电磁铁激活时，有计量片和因此从第二位置到第一位置上的计量隔膜的基本上 突然的冲程。
[0005] 通常，如果待计量的流体体积显著地大于计量室容积，则使用这种电磁驱动隔膜 栗，因此计量速度基本上由通过电磁铁的电流的频率或时间确定。例如，如果计量速度加 倍，则同时电流往往短暂流过电磁铁两次，这又导致隔膜栗的运动周期缩短并往往发生两 次。
[0006] 例如，在EP 1 757 809中描述了这种磁力计量栗。
[0007] 然而，当仅需要低计量速度时，该磁力计量栗的使用达到其极限，因此整个冲程的 突然计量是不可取的。
[0008] 在提到的EP 1 757 809中，因此已经提出提供位置传感器，止推构件或与其连接 的隔膜的位置可以通过该位置传感器确定。通过将止推构件的实际位置与止推构件的预定 目标位置作比较，可以接着进行运动的控制，由于冲程运动不再突然发生，而是以受控的方 式发生，因此，磁力计量栗也可以用于输送显著较低流体量。
[0009] 在实践中，难以找到合适控制参数。实际上，在各种情况下凭经验为不同止推构件 位置状态确定不同控制参数并储存在存储器中，因此，栗可以根据止推构件的位置取回并 使用对应控制参数。
[0010]然而，确定控制参数是非常费力的。此外，其严重依赖于计量室中的环境，诸如例 如所栗送流体的密度和粘度。因此，只有当系统大致对应于所需状态时，控制才令人满意地 发挥作用。具体地说，当抽吸管线和/或压力管线上有压力波动时，当汽蚀出现时，当空气积 聚在计量室中时或当栗送流体的密度有变化时，储存在存储器中的控制参数就不合适了并 且控制精度下降，因此实际计量曲线与所需计量曲线显著不同。然而，具体地说在非常小量 的连续计量的情况下，诸如例如在饮用水氯化的情况下，这是不可取的。
[0011] 控制精度可以例如通过测量所栗送流体的密度和/或粘度并使用测量结果来选择 控制参数来提高。
[0012] 然而，对于这种测量，至少一个额外传感器是必需的，这将提高容积式栗的销售价 格并且额外地需要保养和修理。因此迄今控制上不再考虑密度和粘度变化。
[0013] 从所述技术现状出发，本发明的目的因此是提供一种允许确定诸如例如所栗送流 体的密度和粘度的液压参数而无需额外传感器的方法。
[0014] 这通过本发明实现，其中，为液压系统构造具有液压参数的物理模型，由排量元件 施加在位于计量室中的流体上的力或计量室中的压力和排量元件的位置被确定，并且至少 一个液压参数借助于最优化计算来计算。
[0015] 液压参数是指影响通过计量室的栗送流体的流量的液压系统除了排量元件的位 置以外的任何参数。
[0016] 液压参数因此例如是计量室中的所栗送流体的密度以及计量室中的所栗送流体 的粘度。更多液压参数例如是至少有时连接到计量室的软管和管的软管或管长度和直径。
[0017] 排量元件的位置的所需确定可以通过通常在任何情况下都存在的位置传感器进 行。排量元件的速度和加速度可以从排量元件的位置确定。
[0018] 如果在优选实施例中，根据本发明的方法用于电磁驱动计量栗且最好用于电磁驱 动计量栗时，贝 lJ通过电磁驱动器的电流可以被测量并且由排量元件施加在位于计量室中的 流体上的力由所测电流和所测排量元件位置确定。这样，不需要单独压力传感器。然而，本 方法当然也可以与单独压力传感器一起使用。
[0019] 排量元件的固有特性是，当计量室通过其连接到抽吸管线和压力管线的阀门之一 打开或关闭时，液压系统总是显著变化。
[0020] 对用于其中至抽吸管线的阀门打开而至压力管线的阀门关闭的情况的系统建模 是最容易的。即，终止于在环境压力的储罐中的柔性软管通常安装在至抽吸管线的阀门上。
[0021] 这种情况在所谓抽吸冲程的期间、即在排量元件从第二位置移动到第一位置期间 存在。该液压系统可以例如借助于考虑层流和湍流的非线性纳维尔-斯托克斯方程描述。除 了栗送流体的密度和粘度外，将抽吸阀连接到储罐的软管的直径、软管的长度和软管中的 流体必须越过的高度差也将被视为液压参数。
[0022] 更多有意义假设可以根据所用系统作出。借助于可以例如通过已知梯度法或莱文 贝格一马夸特(Levenberg-Marquardt)算法发生的最优化计算，能够确定物理模型中所包 含的液压参数，该物理模型最佳地描述计量头中的压力进展和止推构件的运动或从其确定 的速度和加速度。
[0023]最优化计算是指通过其发现系统的最佳参数任何计算。最佳参数是最佳描述系统 的参数，即，对于该最佳参数，模型和实测值之间的差处于最小值。
[0024]根据本发明的确定方法可以基本上简单地通过抽吸冲程行为的重复分析进行。
[0025] 然而，替代地，也可以为至抽吸管线的阀门关闭而至压力管线的阀门打开的情况 来考虑液压系统的物理模型。然而，因为栗制造商通常最初不知道计量栗用于什么环境，并 且因此也不知道附连到将压力管线连接到计量室的压力阀的管系统，所以这里仅可以作出 一般的假设。没有关于附连到压力阀的管线系统的信息，所构造的物理模型因此不能像在 抽吸冲程期间液压系统的采用所述最简单的形式的情况那样精确地构造。
[0026] 在特别优选实施例中，使用两种所述液压系统的物理模型并且接着测量或确定阀 门打开时间点，并且相应适当物理模型根据对阀门打开时间点的确定结果选择。基本上，接 着分别对抽吸冲程和压力冲程实施根据本发明的方法。在两种情况下，获得诸如例如栗送 流体的密度和粘度的液压参数的值，这在实践中并不完全一致。原则上，因此将能够对不同 值取平均值，其中，可能必须考虑，由于通过在抽吸冲程期间的物理模型对实际情况进行更 好描述，因此在抽吸冲程期间获得的值比在压力冲程期间获得的值在取平均值方面加权更 重。
[0027] 当然，也有液压系统在抽吸冲程期间更复杂的应用情况。
[0028]在液压参数已经以根据本发明的方式确定之后，所构造的物理模型可以与这样确 定的液压参数一起使用，以由此确定计量室中的压力。
[0029]该信息可以又用于改进止推构件的运动控制。在优选实施例中，提供的是基于模 型的控制，具体地说基于非线性模型的控制用来驱动排量元件。
[0030] 在基于模型的控制的情况下，开发出尽可能完整的工艺动态的模型。简而言之，使 用该模型，就能够预测系统变量在下一刻将移动到哪里。
[0031] 那么，合适操纵变量也可以从该模型计算。这种基于模型的控制的特性化特征因 此是根据测量变量使用由模型给出的系统变量恒定计算的必需操纵变量。
[0032]基本上，基础物理系统通过建模以数学方式近似地描述。该数学描述接着用于根 据所获得的测量变量计算操纵变量。与已知计量曲线最优化方法不同，驱动器因此不再被 视为"黑箱"。相反地，已知物理关系用于确定操纵变量。
[0033] 通过这种方法，可以实现显著更好的控制质量。
[0034] 在优选实施例中，排量元件的位置和通过电磁驱动器的电流被测量，并且状态空 间模型用于基于模型的控制，该基于模型的控制将排量元件的位置和通过电磁驱动器的磁 性线圈的电流用作测量变量。
[0035] 在特别优选实施例中，状态空间模型没有任何更多待检测的测量变量，即模型被 开发成仅仅根据所检测到的止推构件位置和所检测到的通过磁性线圈的电流对止推构件 的紧随运动作出预测。
[0036] 在优选实施例中，使用所确定的液压参数。
[0037] 状态空间模型通常是指对当前系统状态的物理描述。例如，状态变量可以描述系 统中所包含的储能元件的能量含量。
[0038] 例如，排量元件的微分方程可以用作基于模型的控制的模型。例如，微分方程可以 是运动方程。运动方程是指描述排量元件在外部影响的作用下的空间和时间运动的数学方 程。在优选实施例中，作用在止推构件上的容积式栗特定力用运动方程模拟。因此，例如，由 弹簧施加在止推构件上的力或其弹簧常数k和/或由磁力驱动器施加在止推构件上的磁力 可以被模拟。由栗送流体施加在止推构件上的力可以接着被视为扰动变量。在特别优选实 施例中，该扰动变量可以接着同样使用所确定的液压参数来模拟。
[0039] 借助于这种状态空间模型，当测量变量被检测时，可以对紧随系统行为作出预测。
[0040] 如果这样预测的紧随行为偏离所需预定行为，则以校正的方式影响系统。
[0041] 为了计算影响的合适施加看起来像什么，在同一模型中，可以模拟可获得的操纵 变量对受控变量的影响。使用已知的优化方法，此时最佳的控制策略可以接着被自适应选 择。或者，也能够根据模型一次确定控制策略并接着根据所检测的测量变量使用该控制策 略。
[0042] 在优选实施例中，非线性状态空间模型因此被选为状态空间模型并且非线性控制 通过李雅普诺夫控制函数(control-Lyapunov function)、通过具有基于平滑的前馈控制 的基于平滑的控制方法、通过积分反推法、通过滑动模式方法或通过预测控制发生。通过李 雅普诺夫控制函数的非线性控制是优选的。
[0043]五种方法都是数学领域中已知的并且因此这里不作进一步解释。
[0044] 李雅普诺夫控制函数例如是李雅普诺夫函数(Lyapunov function)的广义描述。 适当选择的李雅普诺夫控制函数导致模型框架上的稳定行为。
[0045]换言之，计算出校正函数，该校正函数导致在基础模型中的模型的稳定解决方案。
[0046] -般地，有导致在基础模型中的实际曲线与目标曲线之间的差异变成更小的大量 控制可能性。
[0047] 在优选实施例中，形成基于模型的控制的基础的模型用于用公式表示最优化问 题，其中，作为最优化的二次条件，电动马达中的电压和因此提供给计量栗的能量尽可能 小，但同时实现实际曲线尽可能快地接近目标曲线并且具有尽可能小的过调。此外，如果测 量信号在基础模型中处理之前使用低通滤波器滤波以降低噪音影响，则可能是有利的。
[0048] 在另一特别优选实施例中，提供的是，在抽吸-压力周期期间，所检测的排量元件 的实际位置曲线与排量元件的所需目标位置曲线之间的差异被检测，并且对应于被减去差 异的所需目标位置曲线的目标位置曲线用于下一抽吸-压力周期。
[0049]本质上，这里实现自学习系统。虽然根据本发明的基于模型的控制已经实现在控 制行为方面显著提高，但仍可能有在目标曲线与实际曲线之间的偏差。具体地，这在控制干 预的能量最小化选择的情况下不能避免。为了进一步减小至少随后周期的这种偏差，偏差 在一个周期期间被检测并且在下一个周期中将所检测的偏差至少部分地从所述目标位置 曲线中减去。
[0050] 换言之，随后的压力-抽吸周期有意地设有"错误"目标值曲线，其中，"错误"目标 值曲线从前一个周期中得到的信息计算出。即，如果在随后抽吸-压力周期中，正好有与在 前一个周期中相同的实际曲线与目标曲线之间的偏差，则"错误"目标值曲线的使用导致实 际所述目标值曲线因此实现。
[0051] 虽然基本上能够且在某些应用中也由于系统的周期性行为而足以使所述自学习 步骤仅实施一次，即在第一周期中测量差值且从第二及在所有进一步周期中对应地校正目 标值曲线，但如果实际曲线与目标曲线之间的差异被定期确定，最好在每个周期中被确定， 并且在随后周期中被对应考虑，则是特别优选的。
[0052]当然，也能够仅将一小部分所检测的差异用作随后周期或多个周期的曲线校正。 尤其在其中所检测的差异非常大的情况下，为了不产生由目标值的突然变化引起的系统不 稳定性，这可能是有利的。
[0053]此外，能够使用目标曲线与实际曲线之间的当前差异来确定用作曲线校正的一小 部分所检测的差异的大小。
[0054]也可能的是，实际曲线与目标曲线之间的差异在几个周期、例如2个周期上被测 量，并且平均差异从该差异计算出，接着至少部分地从随后周期的目标曲线中减去该平均 差异。
[0055] 在另一替代实施例中，依赖于所检测的差异的任何函数可以用于校正下一个目标 位置曲线。
[0056] 在另一优选实施例中，根据本发明的建模可以用来确定容积式栗中的物理变量。 因此，例如，可以确定计量室中的流体压力。
[0057] 排量元件的运动方程考虑作用在排量元件上的所有力。除了由驱动器施加到排量 元件的力外，这也是由计量室中的流体压力施加到隔膜且因此到排量元件的反作用力。 [00 58]因此，如果由驱动器施加到排量元件的力已知，则关于计量头中的流体压力的结 论可以从排量元件的位置或从可以从其导出的排量元件的速度或加速度作出。
[0059] 例如，如果实际流体压力达到或超过预定最大值，则可以发出警告信号并且警告 信号可以被送到自动关停开关，该自动关停开关响应于接收到的警告信号关停计量栗。因 此，如果由于任何原因阀门没有打开或压力管线上的压力突然增加，则这可通过根据本发 明的方法确定而无需使用压力传感器，并且作为预防措施，栗可以被关停。基本上，具有相 关驱动器的排量元件还起到压力传感器的功能。
[0060] 在方法的另一优选实施例中，为排量元件的运动周期存储目标流体压力曲线、排 量元件的目标位置曲线和/或通过电磁驱动器的目标电流级数。实际流体压力可以与目标 流体压力作比较，排量元件的实际位置与排量元件的目标位置作比较并且/或者通过电磁 驱动器的实际电流与通过电磁驱动器的目标电流作比较，并且，如果实际值与目标值之间 的差异满足预定标准，则可以发出警告信号。
[0061] 形成该方法步骤的基础想法是，诸如例如液压系统中的气泡或栗压头中的汽蚀的 某些事件引起所期望的流体压力的可识别变化，并且关于所提到的事件的结论因此可以从 流体压力的确定作出。
[0062] 警告信号可以例如触发光学指示器或声音报警。作为替代或与其结合，然而，警告 信号也可以直接变成可用于控制单元，该控制单元响应于所接收的警告信号采取适当措 施。
[0063] 在最简单情况下，为一个或多个测量到的变量或确定的变量确定实际值与目标值 之间的差异，并且如果差异之一超过预定值，则发出警告信号。
[0064] 然而，为了不仅检测可能的误差事件、诸如例如计量室中的气泡或汽蚀的发生，而 且辨别它们之间的不同，能够为每个误差事件定义单独标准。
[0065] 在优选实施例中，与目标值的相对偏差的加权和可以被确定，并且标准可以选择 成使得如果加权和超过预定值则发出警告信号。
[0066] 不同加权系数可以分配给不同误差事件。在理想情况下，当误差事件发生时，精确 满足一个标准，因此可以诊断误差事件。
[0067]使用所述方法，因此能够确定计量头中的压力而无需诉诸于压力传感器，并且关 于计量头中的某些状态的结论可以从这样确定的压力作出，这可接着又触发采用某些措 施。
[0068] 用根据本发明的方法，可以非常精确地确定压力变化。
[0069] 在另一实施例中，测量到的变量或确定的变量的时间梯度因此被确定，并且如果 该时间梯度超过预定阈值，则诊断阀门打开或阀门关闭。
[0070] 在替代实施例中，排量元件的质量m、将排量元件预拉伸的弹簧的弹簧常数k、阻尼 d和/或电磁驱动器的电阻Ro1被确定为物理变量。
[0071] 在特别优选实施例中，实际上确定所有所提到的变量。这例如通过求最小值的计 算来进行。所有所提到的变量，除了计量室中的压力外，表示可以通过实验确定并且通常在 栗运行期间不变的常数。尽管如此，不同元件的疲劳征兆可以发生，这改变常数的值。例如， 所测压力-路径进展可以与预期的压力-路径进展作比较。在一个周期 上积分的两个梯度的 差异可以通过改变常数变量最小化。如果例如确定弹簧常数已经变化，则可以诊断弹簧有 缺陷。
[0072] 这种最小化也可以在未加压的状态下，即当计量室中没有流体时实施。
[0073]本发明的进一步优点、特征和应用可能性使用附图和优选实施例的以下描述变得 清楚。有不出：
[0074] 图1是附连到容积式栗的抽吸管线的示意图，
[0075] 图2a_2e是液压参数及其与时间相关的发展的实例，
[0076]图3是理想运动曲线的示意图，
[0077]图4是自学习功能的示意图，
[0078]图5是正常状态下的压力-路径图和路径-时间图的示意图，以及
[0079] 图6是具有计量室中的气泡的状态的压力-路径图和路径-时间图的示意图。
[0080] 通过对电磁计量栗系统的物理模型的设计、具体地是计量室中或连接到计量室的 管线中的液压过程的非线性系统描述，能够实时使用基于模型的识别方法。为此，评估液压 参数、即液压模型的状态变量，并且确定液压过程的系统动态和参数。
[0081] 排量元件的位置或从其确定的排量元件的速度和加速度，以及可以通过由隔膜施 加到栗送流体上的力确定的计量室中的压力用作测量变量或待确定的外部变量。
[0082] 通常，在所提到的容积式栗中，因为抽吸管线由将抽吸阀连接到储罐的软管组成， 对于抽吸冲程，即当压力阀关闭且抽吸阀打开时，液压系统可以以简化的方式描述，如图1 所示。抽吸管线由具有直径Ds和软管长度L的软管组成。软管桥接高度差Z。
[0083] 如果假设抽吸管线具有恒定直径且不可膨胀，并且使用不可压缩流体，则非线性 纳维-斯托克斯方程可以被简化。
[0084]使用已知最优化方法，诸如例如梯度方法或莱文贝格一马夸特算法，现在确定可 以最佳描述止推构件的测量位置的液压参数，或者将所构造的模型作为基础确定计量室中 的压力。
[0085]在这里的图2a至2e中，使用甘油作为所栗送流体的实例，在各种情况下，在时间上 表示液压参数(虚线）以及由根据本发明的方法产生的数值(实线）。
[0086]因此，例如，图2a示出了所栗送流体的密度。这大约是1260kg/m3 (虚线）。可以看 至1J，根据本发明的方法能够在大约1 〇 〇秒内确定密度。虽然在t = 0的时间点，所确定的值仍 明显小于实际值，但连续最优化导致用根据本发明的方法确定的密度值非常快地接近真实 值(实线）。
[0087] 软管长度L(参见图2b)、高度差Z(参见图2c)、软管直径(参见图2d)和粘度(参见图 2e)也是如此。
[0088] 用根据本发明的方法确定的参数接着可以又与所构造的物理模型一起用于确定 由液压系统施加在止推构件上的力。
[0089] 这个信息可以用于控制。具体地，当基于模型的非线性控制策略用于控制止推构 件的运动时，这里所开发的模型可以物理上模拟液压系统的效果并且将其作为前馈扰动变 量的形式考虑在内。
[0090] 已经关于磁力计量栗开发出根据本发明的方法。在优选实施例中，这种磁力计量 栗具有可移动止推构件，该止推构件具有牢固连接到其上的连杆。止推构件安装成在磁性 罩中的纵向轴线上轴向可移动，该磁性罩牢固地锚定到栗壳中，因此当用电触发磁性罩中 的磁性线圈时，具有连杆的止推构件被吸入磁性罩的孔中，抵抗压力弹簧的作用，并且在磁 铁失活以后，止推构件借助于压力弹簧返回到起始位置。这个的结果是，当磁性线圈被连续 激活和失活时，由此致动的止推构件和隔膜进行摆动运动，该摆动运动，在布置在纵向轴线 上的计量头中，与出口阀和入口阀配合，导致栗送冲程(压力冲程)和进气冲程(抽吸冲程）。 磁性线圈的激活通过施加到磁性线圈的电压发生。止推构件的运动可以因此通过磁性线圈 上的电压随时间的进展形成。
[0091] 应该理解，压力冲程和抽吸冲程不一定必须持续同样时间量。相反地，由于在抽取 冲程期间没有计量发生，而是计量室仅仅再次充满所栗送流体，因此有利的是在各种情况 下尽可能快地进行抽吸冲程，其中，仍然要小心压力室中没有汽蚀。
[0092] 在另一方面，压力冲程可以持续很长时间，尤其是在其中仅很小流体量待计量的 应用情况下。这导致止推构件仅逐渐沿计量室的方向移动。为了实现如图3中以理想化的方 式表示的止推构件的运动，必须控制止推构件的运动。仅止推构件的位置和通过磁性线圈 的电流的大小通常可用作测量变量。
[0093] 根据本发明，由此开发出描述磁力系统的状态的(非线性)模型。
[0094]下列模型产生于优选实施例：
[0096] 其中，
[0097] m:止推构件的质量
[0098] Φ:磁通量
[0099] KlW Φ2:磁力
[0100] Ni:匝数
[0101] u:电压
[0102] d:阻尼
[0103] k:弹簧常数
[0104] Fvcir:通过弹簧预拉伸而作用在止推构件上的力
[0105] Fp:通过输送室中的流体压力而作用在止推构件上的力
[0106] :磁阻
[0107] RCu:线圈的欧姆电阻
[0108] X:止推构件的位置
[0109] δ :锚件与磁铁之间的间隙大小
[0110]这是允许对从起始点开始的系统的紧随行为进行预测的非线性微分方程系统。
[0111] 使用这个模型，能够因此识别未来或实际已经存在的目标曲线与实际曲线之间的 偏差。此外，模块可以用来计算控制干预的可能效果。
[0112] 基于电流强度和止推构件位置的测量结果，实时地确定系统可能如何发展。此外， 可以通过该控制干预计算，即通过该磁性线圈上的电压变化计算，系统可以向后移动到所 需方向。
[0113] 当然，就控制来说，在系统方面进行干预有大量可能性。在每个时间点，因此可以 为动态系统寻求稳定的解决方案。这个计算步骤不断地、即如可用计算能力允许的那样频 繁地重复以获得最佳控制。
[0114] 在这里提出的模型的情况下，通常不必在每个时间点为动态系统确定新的稳定解 决方案。通常，根据测量变量、即根据止推构件的位置和磁力驱动器上的电压就足以一次确 定合适校正函数并且从此将该校正函数用来控制。
[0115] 由于所选模型总是表示理想状态，因此不管该控制如何，目标值与实际值之间仍 将不可避免地有偏差。此外，所检测的测量变量总是包含误差(噪声）。
[0116] 为了进一步减小实际曲线与目标曲线之间的差异，该差异在压力-抽吸周期期间 被测量，并且所测差异与所需目标曲线被用作随后周期的目标曲线。换言之，利用压力冲程 周期重复这一事实。在随后周期中，与实际所述目标值曲线不同的目标值曲线因此被指定。
[0117] 为了解释清楚，这个自控制原理在图4中示意性示出。止推构件的位置在y轴上表 示而时间在X轴上表示。
[0118] 在第一周期中，用于控制的目标曲线用虚线表示。该目标曲线对应于被模拟为用 来在第三周期中作比较的参考曲线的所需目标曲线。不管根据本发明的基于模型的控制如 何，实际曲线都会偏离目标曲线。在图4的第一周期中，实际曲线因此例如用实线表示。为了 解释清楚，实际曲线与目标曲线之间的偏差以比实践中它们发生的更显著的方式表示。
[0119] 在第二周期中，第一周期的实际曲线与参考曲线之间的差异接着从用于第一周期 的目标曲线中减去并且在第二周期期间差异用作控制的目标曲线。因此获得的目标曲线在 第二周期中用虚线表示。
[0120] 理想地，在第二周期中，实际曲线与所用目标曲线偏离到与在第一周期中观察到 的程度相同的程度。这导致对应于参考曲线的实际曲线(在第二周期中用实线画出）。
[0121] 通过测量止推构件的位置和通过磁力驱动器的电流，Fp、即通过输送室中的流体 压力作用在止推构件上的力是唯一未知变量。使用该模型，通过输送室中的流体压力作用 在止推构件上的力因此可以被确定。由于流体压力施加到的止推构件的表面面积是已知 的，因此流体压力可以从力计算出。
[0122] 通过电磁计量栗系统的非线性系统描述的所述设计，能够使用基于模型的诊断方 法。为此，评估系统模型的状态变量，并且确定电磁计量栗的栗压头中的压力。为了控制技 术的目的，这里必要的电流传感器和位置传感器已经建立在栗系统中，因此，信息已是可用 的而无需构造必须增补的计量栗。使用状态变量以及栗的计量头中压力的时间变化，可以 接着执行诊断算法。
[0123] 因此，例如，可以实现过程中的超压的基于模型的诊断以及自动化的栗关闭。
[0124] 阀打开时间点和阀关闭时间点可以例如通过系统模型的关联状 态变量的时间梯 度的确定和评估来识别。可以借助于预定限制检测什么时候状态梯度过调或不足，这导致 阀对打开时间点和阀关闭时间点的识别。
[0125] 作为替代实施例，压力也可以根据止推构件的位置确定，并且阀打开时间点和阀 关闭实施可以从评估中导出。对应压力-路径图在图5左边示出。关联路径-时间图在图5右 边示出。路径-时间图示出了止推构件与时间相关的运动。可以看到，止推构件首先从起始 位置I(X = Omm)向前移动，而计量室的容积减小(压力阶段）。在时间点3,止推构件经过最大 值并且接着向后移动到起始位置(抽吸阶段）。
[0126] 对应压力-路径图在图5左边示出。它将起始于坐标原点，沿顺时针方向前进，在坐 标原点，止推构件位于位置1上。在压力阶段期间，计量室中的压力首先急剧增加直到压力 能够打开至压力管线的阀门。一旦压力阀打开，计量室中的压力保持基本恒定。打开点用附 图标记2表示。从也在图5右边记录的这个时间点开始进行计量。通过止推构件的每次进一 步的运动，计量流体被栗入压力管线。一旦止推构件已经到达最大位置(时间点3)，止推构 件的运动就反转，压力阀立即关闭并且计量室中的压力再次下降。一旦达到最小压力（时间 点4)，将计量室连接到抽吸管线的抽吸阀就打开，并且计量流体被吸入计量室直到再次到 达起始位置。
[0127] 当其位于止推构件的排量最大值时，可以从路径-时间图确定阀门关闭时间点。时 间点2和4、即阀门打开时间点不易于确定，尤其是由于在实践中，压力-路径图具有圆"拐 角"。在压力-路径图中从位置1开始，例如当达到压力最大值的90%时(从位置3得知），路径 因此可以被读出，并且压力-路径图在点1和2之间的增加量可以被确定。90%曲线用虚线画 出。由此形成的直线与曲线Ρ = Ρ·在阀门打开时间点相交。时间点4也可以以相同的方式确 定。这种确定可以在每个周期中发生并且其结果用于后一个周期。时间点上的变化由此也 可以被检测到。
[0128] 通过系统模型的个别状态变量的目标轨迹和实际轨迹的比较，可以诊断液压系统 中的气泡、计量单元的栗压头中的汽蚀和/或计量单元的阀门打开时间点和阀门关闭时间 点。具体地，当目标轨迹与实际轨迹之间超过预定误差限制时，这可以触发警告信号和对应 措施。
[0129] 在图6中示出一个。在这里，压力-路径图也在左边示出，而路径-时间图在右边示 出。右图与图5的对应图相同。如果液压系统中有可压缩气泡，则这将导致压力阀仅在时间 点2'打开，而抽吸阀仅在时间点4'打开。阀门打开时间点的明显移位因此可以用来诊断状 态"计量室中的空气"。在汽蚀的情况下，仅阀门打开时间点4'移位而阀门打开时间点2没有 移位，因此，这种行为可以用来诊断状态"汽蚀"。
[0130]通过个别关联系统状态变量的分析，所提出的基于模型的方法论能够比迄今已经 实现的方法论基本上更全面且更有用地进行诊断。
[0131]此外，就传感器及高可信度和高可靠性而言，这可以以低成本实现。通过更高的诊 断质量，由于现在可以大大提高计量精度，因此电磁计量栗的使用领域有可能扩展。
【主权项】
1. 确定容积式栗中的液压参数的方法，其中，所述容积式栗具有界定计量室的可移动 排量元件，所述计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，由此所栗送流体可以借助于 所述排量元件的摆动运动交替地通过所述抽吸管线被吸入所述计量室和通过所述压力管 线从所述计量室被压出，其中，设置了用于所述排量元件的所述摆动运动的驱动器，其特征 在于，为液压系统构建具有液压参数的物理模型，由所述排量元件施加在位于所述计量室 中的流体上的力或所述计量室中的压力以及所述排量元件的位置被确定，并且至少一个液 压参数借助于最优化计算来计算。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计量室中的所述流体的密度和/或所述 计量室中的所述流体的粘度被确定为液压参数。3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述容积式栗是电磁驱动计量栗，优选地 是电磁驱动隔膜栗。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过电磁驱动器的电流被测量，并且由所述 排量元件施加在位于所述计量室中的流体上的力由所测电流和所述排量元件的所测位置 确定。5. 如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述物理模型构造成用于至所述抽吸管 线的所述阀门打开而至所述压力管线的所述阀门关闭的情况和/或用于至所述抽吸管线的 所述阀门关闭而至所述压力管线的所述阀门打开的情况，其中，如果所述物理模型构造成 不仅用于至所述抽吸管线的所述阀门打开而至所述压力管线的所述阀门关闭的情况也用 于至所述抽吸管线的所述阀门关闭而至所述压力管线的所述阀门打开的情况，则阀门打开 时间点被确定，并且所述物理模型根据所述阀门打开时间点的确定结果来选择。6. 如权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，在所述液压参数被确定之后，该 液压参数和所述物理模型用于确定由所述所栗送流体施加在所述排量元件上的力，并且这 样确定的所述力用于控制所述排量元件的所述运动。7. 如权利要求1至6中的一项所述的方法，其特征在于，基于模型的控制用于所述驱动 器，以最优化所述容积式栗的计量曲线。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述排量元件的微分方程、且优选地为运动 方程用作所述基于模型的控制的模型。9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，作用在所述止推构件上的容积式栗特定 力用所述微分方程模拟。10. 如权利要求7至9中的一项所述的方法，其特征在于，非线性状态空间模型被选为状 态空间模型，其中，非线性控制通过李雅普诺夫控制函数、通过具有基于平滑的前馈控制的 基于平滑的控制方法、通过积分反推法、通过滑动模式方法或通过预测控制来进行，其中， 所述非线性控制优选地是通过李雅普诺夫控制函数。11. 如权利要求7至10中的一项所述的方法，其特征在于，在抽吸-压力周期期间检测所 述排量元件的所检测到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， 并且所检测到的差异的至少一部分与所述预定目标位置曲线的差异用作下一个抽吸压力 周期的目标值曲线。12. 如权利要求7至11中的一项所述的方法，其特征在于，所述容积式栗中的物理变量 使用所述微分方程或运动方程确定。13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，位于容积式栗的计量室中的所栗送流体的 流体压力p被确定为物理变量。14. 如权利要求12至13中的一项所述的方法，其特征在于，如果实际流体压力达到或超 过预定最大值，则发出警告信号，并且所述警告信号较佳地送到自动关停开关，所述自动关 停开关响应于接收到的所述警告信号关停所述计量栗。15. 如权利要求12至14中的一项所述的方法，其特征在于，为所述排量元件的运动周期 存储目标流体压力曲线、所述排量元件的目标位置曲线和/或通过所述电磁驱动器的目标 电流级数，并且实际流体压力与所述目标流体压力作比较，所述排量元件的实际位置与所 述排量元件的目标位置作比较，以及/或者通过所述电磁驱动器的实际电流与通过所述电 磁驱动器的目标电流作比较，并且，如果实际值与目标值之间的差异满足预定标准，则发出 警告信号。16. 如权利要求15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， 并且所述标准选择成，如果所述加权和超过预定值则发出警告信号。17. 如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，预定若干个标准，误差事件被分配给 每个标准，并且如果满足标准，则诊断所分配的误差事件。18. 如权利要求7至17中的一项所述的方法，其特征在于，所述排量元件的质量m、预拉 伸所述排量元件的弹簧的弹簧常数k、阻尼d和/或所述电磁驱动器的电阻RCu被确定为物理 变量。
【专利摘要】本发明涉及一种确定容积式泵中的液压参数的方法，其中，容积式泵具有界定计量室的可移动排量元件，该计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，其中，设置了用于排量元件的摆动运动的驱动器。为了所泵送流体可以借助于排量元件的摆动运动交替地通过抽吸管线被吸入计量室和通过压力管线从计量室被压出，为液压系统建立根据本发明的具有液压参数的物理模型，由排量元件施加在位于计量室中的流体上的力或计量室中的压力以及排量元件的位置被确定，并且至少一个液压参数借助于最优化计算来计算。
【IPC分类】F04B43/04, F04B51/00, F04B49/06, G05B13/04, F04B17/04, F15B19/00
【公开号】CN105492767
【申请号】CN201480047892
【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】CA2920224A1, DE102013109411A1, EP3039289A1, WO2015028386A1
【专利说明】确定容积式泵中的液压参数的方法
[0001] 本发明涉及一种确定容积式栗中的液压参数的方法。容积式栗具有界定计量室的 可移动排量元件，该计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，由此所栗送的流体可以 借助于排量元件的摆动运动交替地通过抽吸管线被吸入计量室和通过压力管线从计量室 压出。容积式栗还具有用于排量元件的摆动运动的驱动器。
[0002] 例如存在电磁驱动隔膜栗，在该隔膜栗中，排量元件是可以在两个极限位置之间 前后来回移动的隔膜，其中，在第一极限位置上，计量室的容积处于最小值，而在第二极限 位置上，计量室的容积处于最大值。因此，当隔膜从其第一位置移动到第二位置上时，计量 室中的压力将下降，由此所栗送流体通过抽吸管线被吸入计量室。在向后运动、即从第二位 置到第一位置的运动的情况下，与抽吸管线的连接关闭，栗送流体的压力因计量室中的容 积减小将增大，因此至压力管线的阀门打开并且栗送流体被运送到压力管线中。通过隔膜 的摆动运动，所栗送流体交替地被从抽吸管线吸入计量室以及栗送流体被从计量室吸出， 并且所栗送流体被从计量室输送到压力管线。栗送流体进入压力管线的流量也被称为计量 曲线。该计量曲线基本上由排量元件的运动曲线确定。
[0003] 在电磁驱动隔膜栗的情况下，隔膜连接到止推构件，该止推构件通常以弹簧加载 的方式至少部分预拉伸地安装在电磁铁内。只要电磁铁没有流经其的电流，从而没有磁通 量在其内部形成，则弹簧加载的预拉伸确保止推构件和由此确保隔膜保持在预定位置，例 如第二位置，即计量室具有最大容积所处的位置。如果电流现在外加在电磁铁上，则磁通量 形成，这促使在电磁铁内的对应形成的止推构件从其第二位置到第一位置上，这致使位于 计量室中的栗送流体从计量室被输送到压力管线中。
[0004] 当电磁铁激活时，有计量片和因此从第二位置到第一位置上的计量隔膜的基本上 突然的冲程。
[0005] 通常，如果待计量的流体体积显著地大于计量室容积，则使用这种电磁驱动隔膜 栗，因此计量速度基本上由通过电磁铁的电流的频率或时间确定。例如，如果计量速度加 倍，则同时电流往往短暂流过电磁铁两次，这又导致隔膜栗的运动周期缩短并往往发生两 次。
[0006] 例如，在EP 1 757 809中描述了这种磁力计量栗。
[0007] 然而，当仅需要低计量速度时，该磁力计量栗的使用达到其极限，因此整个冲程的 突然计量是不可取的。
[0008] 在提到的EP 1 757 809中，因此已经提出提供位置传感器，止推构件或与其连接 的隔膜的位置可以通过该位置传感器确定。通过将止推构件的实际位置与止推构件的预定 目标位置作比较，可以接着进行运动的控制，由于冲程运动不再突然发生，而是以受控的方 式发生，因此，磁力计量栗也可以用于输送显著较低流体量。
[0009] 在实践中，难以找到合适控制参数。实际上，在各种情况下凭经验为不同止推构件 位置状态确定不同控制参数并储存在存储器中，因此，栗可以根据止推构件的位置取回并 使用对应控制参数。
[0010]然而，确定控制参数是非常费力的。此外，其严重依赖于计量室中的环境，诸如例 如所栗送流体的密度和粘度。因此，只有当系统大致对应于所需状态时，控制才令人满意地 发挥作用。具体地说，当抽吸管线和/或压力管线上有压力波动时，当汽蚀出现时，当空气积 聚在计量室中时或当栗送流体的密度有变化时，储存在存储器中的控制参数就不合适了并 且控制精度下降，因此实际计量曲线与所需计量曲线显著不同。然而，具体地说在非常小量 的连续计量的情况下，诸如例如在饮用水氯化的情况下，这是不可取的。
[0011] 控制精度可以例如通过测量所栗送流体的密度和/或粘度并使用测量结果来选择 控制参数来提高。
[0012] 然而，对于这种测量，至少一个额外传感器是必需的，这将提高容积式栗的销售价 格并且额外地需要保养和修理。因此迄今控制上不再考虑密度和粘度变化。
[0013] 从所述技术现状出发，本发明的目的因此是提供一种允许确定诸如例如所栗送流 体的密度和粘度的液压参数而无需额外传感器的方法。
[0014] 这通过本发明实现，其中，为液压系统构造具有液压参数的物理模型，由排量元件 施加在位于计量室中的流体上的力或计量室中的压力和排量元件的位置被确定，并且至少 一个液压参数借助于最优化计算来计算。
[0015] 液压参数是指影响通过计量室的栗送流体的流量的液压系统除了排量元件的位 置以外的任何参数。
[0016] 液压参数因此例如是计量室中的所栗送流体的密度以及计量室中的所栗送流体 的粘度。更多液压参数例如是至少有时连接到计量室的软管和管的软管或管长度和直径。
[0017] 排量元件的位置的所需确定可以通过通常在任何情况下都存在的位置传感器进 行。排量元件的速度和加速度可以从排量元件的位置确定。
[0018] 如果在优选实施例中，根据本发明的方法用于电磁驱动计量栗且最好用于电磁驱 动计量栗时，贝 lJ通过电磁驱动器的电流可以被测量并且由排量元件施加在位于计量室中的 流体上的力由所测电流和所测排量元件位置确定。这样，不需要单独压力传感器。然而，本 方法当然也可以与单独压力传感器一起使用。
[0019] 排量元件的固有特性是，当计量室通过其连接到抽吸管线和压力管线的阀门之一 打开或关闭时，液压系统总是显著变化。
[0020] 对用于其中至抽吸管线的阀门打开而至压力管线的阀门关闭的情况的系统建模 是最容易的。即，终止于在环境压力的储罐中的柔性软管通常安装在至抽吸管线的阀门上。
[0021] 这种情况在所谓抽吸冲程的期间、即在排量元件从第二位置移动到第一位置期间 存在。该液压系统可以例如借助于考虑层流和湍流的非线性纳维尔-斯托克斯方程描述。除 了栗送流体的密度和粘度外，将抽吸阀连接到储罐的软管的直径、软管的长度和软管中的 流体必须越过的高度差也将被视为液压参数。
[0022] 更多有意义假设可以根据所用系统作出。借助于可以例如通过已知梯度法或莱文 贝格一马夸特(Levenberg-Marquardt)算法发生的最优化计算，能够确定物理模型中所包 含的液压参数，该物理模型最佳地描述计量头中的压力进展和止推构件的运动或从其确定 的速度和加速度。
[0023]最优化计算是指通过其发现系统的最佳参数任何计算。最佳参数是最佳描述系统 的参数，即，对于该最佳参数，模型和实测值之间的差处于最小值。
[0024]根据本发明的确定方法可以基本上简单地通过抽吸冲程行为的重复分析进行。
[0025] 然而，替代地，也可以为至抽吸管线的阀门关闭而至压力管线的阀门打开的情况 来考虑液压系统的物理模型。然而，因为栗制造商通常最初不知道计量栗用于什么环境，并 且因此也不知道附连到将压力管线连接到计量室的压力阀的管系统，所以这里仅可以作出 一般的假设。没有关于附连到压力阀的管线系统的信息，所构造的物理模型因此不能像在 抽吸冲程期间液压系统的采用所述最简单的形式的情况那样精确地构造。
[0026] 在特别优选实施例中，使用两种所述液压系统的物理模型并且接着测量或确定阀 门打开时间点，并且相应适当物理模型根据对阀门打开时间点的确定结果选择。基本上，接 着分别对抽吸冲程和压力冲程实施根据本发明的方法。在两种情况下，获得诸如例如栗送 流体的密度和粘度的液压参数的值，这在实践中并不完全一致。原则上，因此将能够对不同 值取平均值，其中，可能必须考虑，由于通过在抽吸冲程期间的物理模型对实际情况进行更 好描述，因此在抽吸冲程期间获得的值比在压力冲程期间获得的值在取平均值方面加权更 重。
[0027] 当然，也有液压系统在抽吸冲程期间更复杂的应用情况。
[0028]在液压参数已经以根据本发明的方式确定之后，所构造的物理模型可以与这样确 定的液压参数一起使用，以由此确定计量室中的压力。
[0029]该信息可以又用于改进止推构件的运动控制。在优选实施例中，提供的是基于模 型的控制，具体地说基于非线性模型的控制用来驱动排量元件。
[0030] 在基于模型的控制的情况下，开发出尽可能完整的工艺动态的模型。简而言之，使 用该模型，就能够预测系统变量在下一刻将移动到哪里。
[0031] 那么，合适操纵变量也可以从该模型计算。这种基于模型的控制的特性化特征因 此是根据测量变量使用由模型给出的系统变量恒定计算的必需操纵变量。
[0032]基本上，基础物理系统通过建模以数学方式近似地描述。该数学描述接着用于根 据所获得的测量变量计算操纵变量。与已知计量曲线最优化方法不同，驱动器因此不再被 视为"黑箱"。相反地，已知物理关系用于确定操纵变量。
[0033] 通过这种方法，可以实现显著更好的控制质量。
[0034] 在优选实施例中，排量元件的位置和通过电磁驱动器的电流被测量，并且状态空 间模型用于基于模型的控制，该基于模型的控制将排量元件的位置和通过电磁驱动器的磁 性线圈的电流用作测量变量。
[0035] 在特别优选实施例中，状态空间模型没有任何更多待检测的测量变量，即模型被 开发成仅仅根据所检测到的止推构件位置和所检测到的通过磁性线圈的电流对止推构件 的紧随运动作出预测。
[0036] 在优选实施例中，使用所确定的液压参数。
[0037] 状态空间模型通常是指对当前系统状态的物理描述。例如，状态变量可以描述系 统中所包含的储能元件的能量含量。
[0038] 例如，排量元件的微分方程可以用作基于模型的控制的模型。例如，微分方程可以 是运动方程。运动方程是指描述排量元件在外部影响的作用下的空间和时间运动的数学方 程。在优选实施例中，作用在止推构件上的容积式栗特定力用运动方程模拟。因此，例如，由 弹簧施加在止推构件上的力或其弹簧常数k和/或由磁力驱动器施加在止推构件上的磁力 可以被模拟。由栗送流体施加在止推构件上的力可以接着被视为扰动变量。在特别优选实 施例中，该扰动变量可以接着同样使用所确定的液压参数来模拟。
[0039] 借助于这种状态空间模型，当测量变量被检测时，可以对紧随系统行为作出预测。
[0040] 如果这样预测的紧随行为偏离所需预定行为，则以校正的方式影响系统。
[0041] 为了计算影响的合适施加看起来像什么，在同一模型中，可以模拟可获得的操纵 变量对受控变量的影响。使用已知的优化方法，此时最佳的控制策略可以接着被自适应选 择。或者，也能够根据模型一次确定控制策略并接着根据所检测的测量变量使用该控制策 略。
[0042] 在优选实施例中，非线性状态空间模型因此被选为状态空间模型并且非线性控制 通过李雅普诺夫控制函数(control-Lyapunov function)、通过具有基于平滑的前馈控制 的基于平滑的控制方法、通过积分反推法、通过滑动模式方法或通过预测控制发生。通过李 雅普诺夫控制函数的非线性控制是优选的。
[0043]五种方法都是数学领域中已知的并且因此这里不作进一步解释。
[0044] 李雅普诺夫控制函数例如是李雅普诺夫函数(Lyapunov function)的广义描述。 适当选择的李雅普诺夫控制函数导致模型框架上的稳定行为。
[0045]换言之，计算出校正函数，该校正函数导致在基础模型中的模型的稳定解决方案。
[0046] -般地，有导致在基础模型中的实际曲线与目标曲线之间的差异变成更小的大量 控制可能性。
[0047] 在优选实施例中，形成基于模型的控制的基础的模型用于用公式表示最优化问 题，其中，作为最优化的二次条件，电动马达中的电压和因此提供给计量栗的能量尽可能 小，但同时实现实际曲线尽可能快地接近目标曲线并且具有尽可能小的过调。此外，如果测 量信号在基础模型中处理之前使用低通滤波器滤波以降低噪音影响，则可能是有利的。
[0048] 在另一特别优选实施例中，提供的是，在抽吸-压力周期期间，所检测的排量元件 的实际位置曲线与排量元件的所需目标位置曲线之间的差异被检测，并且对应于被减去差 异的所需目标位置曲线的目标位置曲线用于下一抽吸-压力周期。
[0049]本质上，这里实现自学习系统。虽然根据本发明的基于模型的控制已经实现在控 制行为方面显著提高，但仍可能有在目标曲线与实际曲线之间的偏差。具体地，这在控制干 预的能量最小化选择的情况下不能避免。为了进一步减小至少随后周期的这种偏差，偏差 在一个周期期间被检测并且在下一个周期中将所检测的偏差至少部分地从所述目标位置 曲线中减去。
[0050] 换言之，随后的压力-抽吸周期有意地设有"错误"目标值曲线，其中，"错误"目标 值曲线从前一个周期中得到的信息计算出。即，如果在随后抽吸-压力周期中，正好有与在 前一个周期中相同的实际曲线与目标曲线之间的偏差，则"错误"目标值曲线的使用导致实 际所述目标值曲线因此实现。
[0051] 虽然基本上能够且在某些应用中也由于系统的周期性行为而足以使所述自学习 步骤仅实施一次，即在第一周期中测量差值且从第二及在所有进一步周期中对应地校正目 标值曲线，但如果实际曲线与目标曲线之间的差异被定期确定，最好在每个周期中被确定， 并且在随后周期中被对应考虑，则是特别优选的。
[0052]当然，也能够仅将一小部分所检测的差异用作随后周期或多个周期的曲线校正。 尤其在其中所检测的差异非常大的情况下，为了不产生由目标值的突然变化引起的系统不 稳定性，这可能是有利的。
[0053]此外，能够使用目标曲线与实际曲线之间的当前差异来确定用作曲线校正的一小 部分所检测的差异的大小。
[0054]也可能的是，实际曲线与目标曲线之间的差异在几个周期、例如2个周期上被测 量，并且平均差异从该差异计算出，接着至少部分地从随后周期的目标曲线中减去该平均 差异。
[0055] 在另一替代实施例中，依赖于所检测的差异的任何函数可以用于校正下一个目标 位置曲线。
[0056] 在另一优选实施例中，根据本发明的建模可以用来确定容积式栗中的物理变量。 因此，例如，可以确定计量室中的流体压力。
[0057] 排量元件的运动方程考虑作用在排量元件上的所有力。除了由驱动器施加到排量 元件的力外，这也是由计量室中的流体压力施加到隔膜且因此到排量元件的反作用力。 [00 58]因此，如果由驱动器施加到排量元件的力已知，则关于计量头中的流体压力的结 论可以从排量元件的位置或从可以从其导出的排量元件的速度或加速度作出。
[0059] 例如，如果实际流体压力达到或超过预定最大值，则可以发出警告信号并且警告 信号可以被送到自动关停开关，该自动关停开关响应于接收到的警告信号关停计量栗。因 此，如果由于任何原因阀门没有打开或压力管线上的压力突然增加，则这可通过根据本发 明的方法确定而无需使用压力传感器，并且作为预防措施，栗可以被关停。基本上，具有相 关驱动器的排量元件还起到压力传感器的功能。
[0060] 在方法的另一优选实施例中，为排量元件的运动周期存储目标流体压力曲线、排 量元件的目标位置曲线和/或通过电磁驱动器的目标电流级数。实际流体压力可以与目标 流体压力作比较，排量元件的实际位置与排量元件的目标位置作比较并且/或者通过电磁 驱动器的实际电流与通过电磁驱动器的目标电流作比较，并且，如果实际值与目标值之间 的差异满足预定标准，则可以发出警告信号。
[0061] 形成该方法步骤的基础想法是，诸如例如液压系统中的气泡或栗压头中的汽蚀的 某些事件引起所期望的流体压力的可识别变化，并且关于所提到的事件的结论因此可以从 流体压力的确定作出。
[0062] 警告信号可以例如触发光学指示器或声音报警。作为替代或与其结合，然而，警告 信号也可以直接变成可用于控制单元，该控制单元响应于所接收的警告信号采取适当措 施。
[0063] 在最简单情况下，为一个或多个测量到的变量或确定的变量确定实际值与目标值 之间的差异，并且如果差异之一超过预定值，则发出警告信号。
[0064] 然而，为了不仅检测可能的误差事件、诸如例如计量室中的气泡或汽蚀的发生，而 且辨别它们之间的不同，能够为每个误差事件定义单独标准。
[0065] 在优选实施例中，与目标值的相对偏差的加权和可以被确定，并且标准可以选择 成使得如果加权和超过预定值则发出警告信号。
[0066] 不同加权系数可以分配给不同误差事件。在理想情况下，当误差事件发生时，精确 满足一个标准，因此可以诊断误差事件。
[0067]使用所述方法，因此能够确定计量头中的压力而无需诉诸于压力传感器，并且关 于计量头中的某些状态的结论可以从这样确定的压力作出，这可接着又触发采用某些措 施。
[0068] 用根据本发明的方法，可以非常精确地确定压力变化。
[0069] 在另一实施例中，测量到的变量或确定的变量的时间梯度因此被确定，并且如果 该时间梯度超过预定阈值，则诊断阀门打开或阀门关闭。
[0070] 在替代实施例中，排量元件的质量m、将排量元件预拉伸的弹簧的弹簧常数k、阻尼 d和/或电磁驱动器的电阻Ro1被确定为物理变量。
[0071] 在特别优选实施例中，实际上确定所有所提到的变量。这例如通过求最小值的计 算来进行。所有所提到的变量，除了计量室中的压力外，表示可以通过实验确定并且通常在 栗运行期间不变的常数。尽管如此，不同元件的疲劳征兆可以发生，这改变常数的值。例如， 所测压力-路径进展可以与预期的压力-路径进展作比较。在一个周期 上积分的两个梯度的 差异可以通过改变常数变量最小化。如果例如确定弹簧常数已经变化，则可以诊断弹簧有 缺陷。
[0072] 这种最小化也可以在未加压的状态下，即当计量室中没有流体时实施。
[0073]本发明的进一步优点、特征和应用可能性使用附图和优选实施例的以下描述变得 清楚。有不出：
[0074] 图1是附连到容积式栗的抽吸管线的示意图，
[0075] 图2a_2e是液压参数及其与时间相关的发展的实例，
[0076]图3是理想运动曲线的示意图，
[0077]图4是自学习功能的示意图，
[0078]图5是正常状态下的压力-路径图和路径-时间图的示意图，以及
[0079] 图6是具有计量室中的气泡的状态的压力-路径图和路径-时间图的示意图。
[0080] 通过对电磁计量栗系统的物理模型的设计、具体地是计量室中或连接到计量室的 管线中的液压过程的非线性系统描述，能够实时使用基于模型的识别方法。为此，评估液压 参数、即液压模型的状态变量，并且确定液压过程的系统动态和参数。
[0081] 排量元件的位置或从其确定的排量元件的速度和加速度，以及可以通过由隔膜施 加到栗送流体上的力确定的计量室中的压力用作测量变量或待确定的外部变量。
[0082] 通常，在所提到的容积式栗中，因为抽吸管线由将抽吸阀连接到储罐的软管组成， 对于抽吸冲程，即当压力阀关闭且抽吸阀打开时，液压系统可以以简化的方式描述，如图1 所示。抽吸管线由具有直径Ds和软管长度L的软管组成。软管桥接高度差Z。
[0083] 如果假设抽吸管线具有恒定直径且不可膨胀，并且使用不可压缩流体，则非线性 纳维-斯托克斯方程可以被简化。
[0084]使用已知最优化方法，诸如例如梯度方法或莱文贝格一马夸特算法，现在确定可 以最佳描述止推构件的测量位置的液压参数，或者将所构造的模型作为基础确定计量室中 的压力。
[0085]在这里的图2a至2e中，使用甘油作为所栗送流体的实例，在各种情况下，在时间上 表示液压参数(虚线）以及由根据本发明的方法产生的数值(实线）。
[0086]因此，例如，图2a示出了所栗送流体的密度。这大约是1260kg/m3 (虚线）。可以看 至1J，根据本发明的方法能够在大约1 〇 〇秒内确定密度。虽然在t = 0的时间点，所确定的值仍 明显小于实际值，但连续最优化导致用根据本发明的方法确定的密度值非常快地接近真实 值(实线）。
[0087] 软管长度L(参见图2b)、高度差Z(参见图2c)、软管直径(参见图2d)和粘度(参见图 2e)也是如此。
[0088] 用根据本发明的方法确定的参数接着可以又与所构造的物理模型一起用于确定 由液压系统施加在止推构件上的力。
[0089] 这个信息可以用于控制。具体地，当基于模型的非线性控制策略用于控制止推构 件的运动时，这里所开发的模型可以物理上模拟液压系统的效果并且将其作为前馈扰动变 量的形式考虑在内。
[0090] 已经关于磁力计量栗开发出根据本发明的方法。在优选实施例中，这种磁力计量 栗具有可移动止推构件，该止推构件具有牢固连接到其上的连杆。止推构件安装成在磁性 罩中的纵向轴线上轴向可移动，该磁性罩牢固地锚定到栗壳中，因此当用电触发磁性罩中 的磁性线圈时，具有连杆的止推构件被吸入磁性罩的孔中，抵抗压力弹簧的作用，并且在磁 铁失活以后，止推构件借助于压力弹簧返回到起始位置。这个的结果是，当磁性线圈被连续 激活和失活时，由此致动的止推构件和隔膜进行摆动运动，该摆动运动，在布置在纵向轴线 上的计量头中，与出口阀和入口阀配合，导致栗送冲程(压力冲程)和进气冲程(抽吸冲程）。 磁性线圈的激活通过施加到磁性线圈的电压发生。止推构件的运动可以因此通过磁性线圈 上的电压随时间的进展形成。
[0091] 应该理解，压力冲程和抽吸冲程不一定必须持续同样时间量。相反地，由于在抽取 冲程期间没有计量发生，而是计量室仅仅再次充满所栗送流体，因此有利的是在各种情况 下尽可能快地进行抽吸冲程，其中，仍然要小心压力室中没有汽蚀。
[0092] 在另一方面，压力冲程可以持续很长时间，尤其是在其中仅很小流体量待计量的 应用情况下。这导致止推构件仅逐渐沿计量室的方向移动。为了实现如图3中以理想化的方 式表示的止推构件的运动，必须控制止推构件的运动。仅止推构件的位置和通过磁性线圈 的电流的大小通常可用作测量变量。
[0093] 根据本发明，由此开发出描述磁力系统的状态的(非线性)模型。
[0094]下列模型产生于优选实施例：
[0096] 其中，
[0097] m:止推构件的质量
[0098] Φ:磁通量
[0099] KlW Φ2:磁力
[0100] Ni:匝数
[0101] u:电压
[0102] d:阻尼
[0103] k:弹簧常数
[0104] Fvcir:通过弹簧预拉伸而作用在止推构件上的力
[0105] Fp:通过输送室中的流体压力而作用在止推构件上的力
[0106] :磁阻
[0107] RCu:线圈的欧姆电阻
[0108] X:止推构件的位置
[0109] δ :锚件与磁铁之间的间隙大小
[0110]这是允许对从起始点开始的系统的紧随行为进行预测的非线性微分方程系统。
[0111] 使用这个模型，能够因此识别未来或实际已经存在的目标曲线与实际曲线之间的 偏差。此外，模块可以用来计算控制干预的可能效果。
[0112] 基于电流强度和止推构件位置的测量结果，实时地确定系统可能如何发展。此外， 可以通过该控制干预计算，即通过该磁性线圈上的电压变化计算，系统可以向后移动到所 需方向。
[0113] 当然，就控制来说，在系统方面进行干预有大量可能性。在每个时间点，因此可以 为动态系统寻求稳定的解决方案。这个计算步骤不断地、即如可用计算能力允许的那样频 繁地重复以获得最佳控制。
[0114] 在这里提出的模型的情况下，通常不必在每个时间点为动态系统确定新的稳定解 决方案。通常，根据测量变量、即根据止推构件的位置和磁力驱动器上的电压就足以一次确 定合适校正函数并且从此将该校正函数用来控制。
[0115] 由于所选模型总是表示理想状态，因此不管该控制如何，目标值与实际值之间仍 将不可避免地有偏差。此外，所检测的测量变量总是包含误差(噪声）。
[0116] 为了进一步减小实际曲线与目标曲线之间的差异，该差异在压力-抽吸周期期间 被测量，并且所测差异与所需目标曲线被用作随后周期的目标曲线。换言之，利用压力冲程 周期重复这一事实。在随后周期中，与实际所述目标值曲线不同的目标值曲线因此被指定。
[0117] 为了解释清楚，这个自控制原理在图4中示意性示出。止推构件的位置在y轴上表 示而时间在X轴上表示。
[0118] 在第一周期中，用于控制的目标曲线用虚线表示。该目标曲线对应于被模拟为用 来在第三周期中作比较的参考曲线的所需目标曲线。不管根据本发明的基于模型的控制如 何，实际曲线都会偏离目标曲线。在图4的第一周期中，实际曲线因此例如用实线表示。为了 解释清楚，实际曲线与目标曲线之间的偏差以比实践中它们发生的更显著的方式表示。
[0119] 在第二周期中，第一周期的实际曲线与参考曲线之间的差异接着从用于第一周期 的目标曲线中减去并且在第二周期期间差异用作控制的目标曲线。因此获得的目标曲线在 第二周期中用虚线表示。
[0120] 理想地，在第二周期中，实际曲线与所用目标曲线偏离到与在第一周期中观察到 的程度相同的程度。这导致对应于参考曲线的实际曲线(在第二周期中用实线画出）。
[0121] 通过测量止推构件的位置和通过磁力驱动器的电流，Fp、即通过输送室中的流体 压力作用在止推构件上的力是唯一未知变量。使用该模型，通过输送室中的流体压力作用 在止推构件上的力因此可以被确定。由于流体压力施加到的止推构件的表面面积是已知 的，因此流体压力可以从力计算出。
[0122] 通过电磁计量栗系统的非线性系统描述的所述设计，能够使用基于模型的诊断方 法。为此，评估系统模型的状态变量，并且确定电磁计量栗的栗压头中的压力。为了控制技 术的目的，这里必要的电流传感器和位置传感器已经建立在栗系统中，因此，信息已是可用 的而无需构造必须增补的计量栗。使用状态变量以及栗的计量头中压力的时间变化，可以 接着执行诊断算法。
[0123] 因此，例如，可以实现过程中的超压的基于模型的诊断以及自动化的栗关闭。
[0124] 阀打开时间点和阀关闭时间点可以例如通过系统模型的关联状 态变量的时间梯 度的确定和评估来识别。可以借助于预定限制检测什么时候状态梯度过调或不足，这导致 阀对打开时间点和阀关闭时间点的识别。
[0125] 作为替代实施例，压力也可以根据止推构件的位置确定，并且阀打开时间点和阀 关闭实施可以从评估中导出。对应压力-路径图在图5左边示出。关联路径-时间图在图5右 边示出。路径-时间图示出了止推构件与时间相关的运动。可以看到，止推构件首先从起始 位置I(X = Omm)向前移动，而计量室的容积减小(压力阶段）。在时间点3,止推构件经过最大 值并且接着向后移动到起始位置(抽吸阶段）。
[0126] 对应压力-路径图在图5左边示出。它将起始于坐标原点，沿顺时针方向前进，在坐 标原点，止推构件位于位置1上。在压力阶段期间，计量室中的压力首先急剧增加直到压力 能够打开至压力管线的阀门。一旦压力阀打开，计量室中的压力保持基本恒定。打开点用附 图标记2表示。从也在图5右边记录的这个时间点开始进行计量。通过止推构件的每次进一 步的运动，计量流体被栗入压力管线。一旦止推构件已经到达最大位置(时间点3)，止推构 件的运动就反转，压力阀立即关闭并且计量室中的压力再次下降。一旦达到最小压力（时间 点4)，将计量室连接到抽吸管线的抽吸阀就打开，并且计量流体被吸入计量室直到再次到 达起始位置。
[0127] 当其位于止推构件的排量最大值时，可以从路径-时间图确定阀门关闭时间点。时 间点2和4、即阀门打开时间点不易于确定，尤其是由于在实践中，压力-路径图具有圆"拐 角"。在压力-路径图中从位置1开始，例如当达到压力最大值的90%时(从位置3得知），路径 因此可以被读出，并且压力-路径图在点1和2之间的增加量可以被确定。90%曲线用虚线画 出。由此形成的直线与曲线Ρ = Ρ·在阀门打开时间点相交。时间点4也可以以相同的方式确 定。这种确定可以在每个周期中发生并且其结果用于后一个周期。时间点上的变化由此也 可以被检测到。
[0128] 通过系统模型的个别状态变量的目标轨迹和实际轨迹的比较，可以诊断液压系统 中的气泡、计量单元的栗压头中的汽蚀和/或计量单元的阀门打开时间点和阀门关闭时间 点。具体地，当目标轨迹与实际轨迹之间超过预定误差限制时，这可以触发警告信号和对应 措施。
[0129] 在图6中示出一个。在这里，压力-路径图也在左边示出，而路径-时间图在右边示 出。右图与图5的对应图相同。如果液压系统中有可压缩气泡，则这将导致压力阀仅在时间 点2'打开，而抽吸阀仅在时间点4'打开。阀门打开时间点的明显移位因此可以用来诊断状 态"计量室中的空气"。在汽蚀的情况下，仅阀门打开时间点4'移位而阀门打开时间点2没有 移位，因此，这种行为可以用来诊断状态"汽蚀"。
[0130]通过个别关联系统状态变量的分析，所提出的基于模型的方法论能够比迄今已经 实现的方法论基本上更全面且更有用地进行诊断。
[0131]此外，就传感器及高可信度和高可靠性而言，这可以以低成本实现。通过更高的诊 断质量，由于现在可以大大提高计量精度，因此电磁计量栗的使用领域有可能扩展。
【主权项】
1. 确定容积式栗中的液压参数的方法，其中，所述容积式栗具有界定计量室的可移动 排量元件，所述计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，由此所栗送流体可以借助于 所述排量元件的摆动运动交替地通过所述抽吸管线被吸入所述计量室和通过所述压力管 线从所述计量室被压出，其中，设置了用于所述排量元件的所述摆动运动的驱动器，其特征 在于，为液压系统构建具有液压参数的物理模型，由所述排量元件施加在位于所述计量室 中的流体上的力或所述计量室中的压力以及所述排量元件的位置被确定，并且至少一个液 压参数借助于最优化计算来计算。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计量室中的所述流体的密度和/或所述 计量室中的所述流体的粘度被确定为液压参数。3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述容积式栗是电磁驱动计量栗，优选地 是电磁驱动隔膜栗。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过电磁驱动器的电流被测量，并且由所述 排量元件施加在位于所述计量室中的流体上的力由所测电流和所述排量元件的所测位置 确定。5. 如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述物理模型构造成用于至所述抽吸管 线的所述阀门打开而至所述压力管线的所述阀门关闭的情况和/或用于至所述抽吸管线的 所述阀门关闭而至所述压力管线的所述阀门打开的情况，其中，如果所述物理模型构造成 不仅用于至所述抽吸管线的所述阀门打开而至所述压力管线的所述阀门关闭的情况也用 于至所述抽吸管线的所述阀门关闭而至所述压力管线的所述阀门打开的情况，则阀门打开 时间点被确定，并且所述物理模型根据所述阀门打开时间点的确定结果来选择。6. 如权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，在所述液压参数被确定之后，该 液压参数和所述物理模型用于确定由所述所栗送流体施加在所述排量元件上的力，并且这 样确定的所述力用于控制所述排量元件的所述运动。7. 如权利要求1至6中的一项所述的方法，其特征在于，基于模型的控制用于所述驱动 器，以最优化所述容积式栗的计量曲线。8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述排量元件的微分方程、且优选地为运动 方程用作所述基于模型的控制的模型。9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，作用在所述止推构件上的容积式栗特定 力用所述微分方程模拟。10. 如权利要求7至9中的一项所述的方法，其特征在于，非线性状态空间模型被选为状 态空间模型，其中，非线性控制通过李雅普诺夫控制函数、通过具有基于平滑的前馈控制的 基于平滑的控制方法、通过积分反推法、通过滑动模式方法或通过预测控制来进行，其中， 所述非线性控制优选地是通过李雅普诺夫控制函数。11. 如权利要求7至10中的一项所述的方法，其特征在于，在抽吸-压力周期期间检测所 述排量元件的所检测到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， 并且所检测到的差异的至少一部分与所述预定目标位置曲线的差异用作下一个抽吸压力 周期的目标值曲线。12. 如权利要求7至11中的一项所述的方法，其特征在于，所述容积式栗中的物理变量 使用所述微分方程或运动方程确定。13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，位于容积式栗的计量室中的所栗送流体的 流体压力p被确定为物理变量。14. 如权利要求12至13中的一项所述的方法，其特征在于，如果实际流体压力达到或超 过预定最大值，则发出警告信号，并且所述警告信号较佳地送到自动关停开关，所述自动关 停开关响应于接收到的所述警告信号关停所述计量栗。15. 如权利要求12至14中的一项所述的方法，其特征在于，为所述排量元件的运动周期 存储目标流体压力曲线、所述排量元件的目标位置曲线和/或通过所述电磁驱动器的目标 电流级数，并且实际流体压力与所述目标流体压力作比较，所述排量元件的实际位置与所 述排量元件的目标位置作比较，以及/或者通过所述电磁驱动器的实际电流与通过所述电 磁驱动器的目标电流作比较，并且，如果实际值与目标值之间的差异满足预定标准，则发出 警告信号。16. 如权利要求15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， 并且所述标准选择成，如果所述加权和超过预定值则发出警告信号。17. 如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，预定若干个标准，误差事件被分配给 每个标准，并且如果满足标准，则诊断所分配的误差事件。18. 如权利要求7至17中的一项所述的方法，其特征在于，所述排量元件的质量m、预拉 伸所述排量元件的弹簧的弹簧常数k、阻尼d和/或所述电磁驱动器的电阻RCu被确定为物理 变量。
【专利摘要】本发明涉及一种确定容积式泵中的液压参数的方法，其中，容积式泵具有界定计量室的可移动排量元件，该计量室通过阀门连接到抽吸管线和压力管线，其中，设置了用于排量元件的摆动运动的驱动器。为了所泵送流体可以借助于排量元件的摆动运动交替地通过抽吸管线被吸入计量室和通过压力管线从计量室被压出，为液压系统建立根据本发明的具有液压参数的物理模型，由排量元件施加在位于计量室中的流体上的力或计量室中的压力以及排量元件的位置被确定，并且至少一个液压参数借助于最优化计算来计算。
【IPC分类】F04B43/04, F04B51/00, F04B49/06, G05B13/04, F04B17/04, F15B19/00
【公开号】CN105492767
【申请号】CN201480047892
【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】CA2920224A1, DE102013109411A1, EP3039289A1, WO2015028386A1
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