用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法与流程

本发明涉及用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法、用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的设备、用于控制液压系统中至少一个控制变量的方法和液压系统。

背景技术：

1、液压系统用于各种各样的技术领域，并且包括至少一个液压消耗器；所述液压消耗器供有增压流体以便执行工作；其中增压流体来自诸如泵元件或蓄能器等压力源。此类液压消耗器由一个或多个阀定期控制，以便调节引导至液压消耗器的流体流和/或从液压消耗器流到储存器的流体流。通常使用的液压消耗器为平移式或旋转式液压消耗器。根据液压系统的复杂性或液压系统的精度要求，在液压系统的操作期间控制液压系统中的一个或多个控制变量是必要且可取的。液压系统的参数，如压力、体积流量、路径、位置或温度，通常被视为控制变量。位移和位置可以是例如阀元件(例如阀活塞)的位移和位置，或者平移式或旋转式液压消耗器(例如液压缸的活塞杆)的轴向或径向位移和(角)位置。

2、机械控制器和电子控制器都是现有技术中已知用于液压系统的控制器，其中pid控制器最常用作电子控制器。机械控制器和电子控制器都与实践中的问题相关联。例如，机械控制器存在磨损相关问题，且灵活性不足，其由于系列变化而导致不准确性，且易受振动的影响。此外，机械控制器不能单独地适应于整个系统。例如，诸如pid控制器之类的电子控制器受其配置以及因此控制质量在很大程度上取决于进行设置的人员以及液压系统中实际的主导条件的影响，它们通常仅在少数操作点处才真正有效，且不可能使控制器适应变化的条件。

3、此外，配置控制器时，在实践中经常会出现进一步的问题。例如，不完整的信息或难以确定的信息使得待控制液压系统的预定义数学或模拟模型通常不准确。此外，由于成本原因，通常假设待控制液压系统中只有几个传感器，这会由于不完整的测量数据使得液压系统的精确控制更加困难。待控制液压系统尤其是移动液压系统中，电子控制单元的诸如计算能力或存储空间等可用功能通常也是限制因素。液压系统的诸如由滞后或摩擦效应引起的非线性特性也经常损害控制器配置。

技术实现思路

1、因此，本发明的一个目的是提供一种用于液压系统的电子控制器；所述电子控制器与已知的控制器相比具有改进的控制质量，例如增加了液压系统的吞吐量、性能或者还有能量效率，并且能够适应待控制液压系统中普遍存在的非线性和动力学特性以及大量不同的操作点。

2、所述问题的解决方案首先通过权利要求1所述的用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法来实现。优选实施例在从属权利要求中进行了描述。

3、本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法包括以下步骤：定义液压系统的测量参数；在液压系统上执行预定测量例程；在预定测量例程期间自动获取液压系统的测量参数的测量数据，优选时间序列数据；使用至少一个基于计算机的模型结构在获取的测量数据基础上自动识别液压系统的行为；从所述至少一个基于计算机的模型结构自动提取液压系统的系统方程；在提取的系统方程基础上自动合成电子控制器；以及将合成的电子控制器自动嵌入液压系统的电子控制单元中用于控制液压系统中的至少一个控制变量。

4、通过本发明的方法，能够将针对任意液压系统进行优化的电子控制器自动地提供给该特定液压系统。为此，本发明的方法将机器学习的方法和(非线性)控制工程的方法与液压系统相结合，并且还可以特别应用于现有的液压系统。此外，该方法优点在于，可在任意时间重复该方法，以便使用新获取的测量数据，使所述至少一个基于计算机的模型结构以及由此合成的电子控制器适应变化的边界条件，例如变化的环境条件或磨损的迹象。因此，本发明的方法是一个混合学习的概念，因为电子控制器一经合成，其在液压系统正在进行的操作期间最初保持不变，但之后总是可以通过重复本发明的方法来更新。

5、预定测量例程应特别理解为在预定时间段内应用于液压系统中的至少一个致动器的信号曲线。例如，信号曲线可以作为致动电流应用于液压系统(致动器)的至少一个电致动阀。在该情况下，电致动阀应特别理解为电磁致动阀。然而，当然也可以设想这种阀的另一种电致动形式，例如通过一个或多个电致动步进电机进行致动。因此，电致动阀的致动电流在此特别是电磁致动阀的致动电流或用于致动阀的步进电机的致动电流。该致动电流曲线当然必须适应相应的液压系统，以便考虑所述相应液压系统的边界条件和极限值，例如最大阀电流、消耗器的最大偏转等。这样的致动电流曲线可以采取例如扫频的形式。可替换地，所述致动电流曲线也可以用于跳转到电致动阀的不同(随机)切换位置。除此之外或可替换地，其他边界条件当然也可以作为指定测量例程的一部分进行改变，例如液压系统上的外部负载。

6、特别地，所述合成的电子控制器是一种算法、公式或查找表。根据应用，可为待控制液压系统提供优化的电子控制器。

7、例如，如果待控制液压系统的电子控制单元的计算能力特别低，则所述合成的电子控制器被实现为公式或查找表。在此情况下，在执行指定测量例程期间扫描待控制液压系统的通常操作点，并且在自动合成电子控制器期间逼近理想的控制器参数。

8、如果待控制液压系统的电子控制单元具有足够的计算能力，则合成的电子控制器为一种算法，其在操作期间由电子控制单元进行评估用于改变操作点，从而获得更精确的结果，实现更高的控制质量。

9、特别地，所述自动识别液压系统的行为优选地包括使用基于计算机的模型结构在获取的测量数据的基础上自动识别液压系统的每个液压消耗器的行为。换句话说，针对液压系统的每个液压消耗器识别基于计算机的模型结构。以此方式，针对每个现有的液压消耗器对合成的电子控制器进行了专门的配置和优化。当然，仅当有合适的传感器用于记录待控制液压系统中的相关测量数据时，此方式才可行。

10、优选地，执行指定测量例程的步骤是自动化的。指定测量例程也是自动执行的这一事实，意味着实现了更高程度的自动化和误差最小化。

11、优选地，基于计算机的模型结构包括至少一个人工神经网络用于函数逼近，从而使用所获取的测量数据能特别高效地识别待控制液压系统的系统行为。可替换地或附加地，所述基于计算机的模型结构可以包括多项式用于函数逼近。

12、优选地，所述基于计算机的模型结构包括加性非线性自回归外生模型(anarx)结构、长短期记忆(lstm)结构、自回归移动平均(arma)结构和/或循环神经网络(rnn)结构。使用这些通常已知的基于计算机的模型结构，优选地使用anarx结构，可以将获取的测量数据自动转换为用于预测待控制液压系统的系统行为的模型。所述anarx结构特别具有以下优点：其可以很容易地重新表述为系统方程。然而，对于提到的所有其他基于计算机的模型结构，原则上也是可行的。

13、优选地，所述合成电子控制器是一种鲁棒控制器。利用鲁棒控制器，可以特别出色地补偿液压系统在操作期间的行为与测量例程识别的行为之间的偏差。优选地，所述鲁棒控制器为h-无穷型控制器、h2型控制器、反演型控制器或模型预测控制型控制器。

14、优选地，所述测量参数包括液压系统的至少一个液压参数以及电致动阀(特别是电磁致动阀或通过步进电机致动的阀)的至少一个致动电流；且所述自动获取测量数据的步骤包括：自动获取液压系统的至少一个液压传感器的测量数据，以及自动获取液压系统的电致动阀的至少一个致动电流的测量数据。特别地，所述合成的电子控制器的操纵变量包括电致动阀的所述至少一个致动电流。特别地，液压系统在每种情况下都包括用于致动液压消耗器的至少一个电致动阀；且自动获取测量数据包括自动获取液压系统的电致动阀的所有致动电流，其中所述电致动阀用于致动所述液压消耗器。

15、优选地，所述至少一个液压参数为压力和/或体积流量；且所述至少一个液压传感器为压力传感器和/或体积流量传感器。可替换地或附加地，所述至少一个液压参数也可以是推导值，例如由电致动阀的测定行进速度推导的体积流量。以此方式，可根据待控制液压系统中的现有传感器及期望控制变量来优化合成的电子控制器。

16、优选地，所述测量参数包括至少一个位移和/或位置，特别是阀元件和/或液压消耗器的位移和/或者位置；且所述自动获取测量数据的步骤包括：从所述至少一个位移传感器和/或位置传感器自动获取测量数据。如果待控制的控制变量包括阀元件和/或液压消耗器的位移和/或位置，则在配置电子控制器以及使用合成的电子控制器操作液压系统期间，都需要经由相应的位移和/或位置传感器获取该控制变量的实际值。

17、优选地，所述测量参数包括液压系统中可用于测量的所有参数；特别地，其包括液压系统中的液压传感器记录的所有参数、液压系统中电致动阀的所有致动电流以及任何可用位移和/或位置传感器获取的所有位移和/或位置参数。通过结合待控制液压系统的所有可用测量参数，可使合成控制器的准确度最大化。原则上，也可设想不包括待控制液压系统的所有计量可用参数，该方式适用于以下情况：例如，需要解决的是特定的明确定义的控制任务，而实现该任务并不需要所有计量可用参数；或液压系统的电子控制单元的可用能力特别有限。

18、优选地，所述过程的自动化步骤由外部设备执行；所述外部设备为此目的经由电子数据通信接口连接到液压系统，从而可以外包所述过程的计算密集型步骤，且对于能力有限的电子控制单元来说，只有操作期间的实际控制才由液压系统的电子控制单元执行。

19、可替换地，所述过程的自动化步骤可由液压系统的电子控制单元执行。如果液压系统的电子控制单元有足够能力执行计算密集型自动化步骤，则此方式可行。

20、如果指定测量例程的执行及测量数据的获取使用液压系统的模拟模型虚拟地进行，则此方式可为优选方式。以此方式，尤其在液压系统安全特别关键的情况下可以确保指定测量例程的执行不会导致关键状况的出现，例如动臂移动不受控制，此状况在最坏的情况下会损坏相应的机器，甚至危及用户。在此情况下，优选地重复本发明的方法，且重复期间在实际液压系统上执行简化的指定测量例程，以便针对实际的液压系统调节使用模拟模型合成的电子控制器。

21、此外，所述问题的解决方案通过权利要求14所述的用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的设备来实现。

22、本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的设备包括用于与液压系统和电子计算单元建立双向数据连接的电子数据通信接口。所述电子计算单元被配置为执行本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法中的自动化步骤。特别地，所述数据通信接口是无线或有线接口，特别地，是串行通信接口。

23、本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的设备允许将本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法中的计算密集步骤从液压系统的电子控制单元外包到所述设备的电子计算单元。优选地，所述设备包括所述液压系统。

24、此外，所述问题可以通过权利要求16所述的用于控制液压系统中的至少一个控制变量的方法来解决。

25、本发明用于控制液压系统中的至少一个控制变量的方法包括：使用上述用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法对用于所述液压系统的电子控制器进行基于测量数据的自动化配置，以及通过合成的电子控制器对液压系统中的所述至少一个控制变量进行控制。

26、使用本发明用于控制液压系统中的至少一个控制变量的方法，合成控制器在其控制质量方面被优化，从而能够适应液压系统中普遍存在的非线性和动力学特性以及大量不同的操作点。

27、优选地，所述至少一个控制变量包括压力、体积流量、位移和/或位置。这些控制变量表示液压系统中的待控制常规参数。

28、最后，所述问题的解决方案通过权利要求18所述的液压系统来实现。

29、本发明液压系统包括：至少一个液压消耗器、用于致动所述至少一个液压消耗器的至少一个电致动阀(特别是电磁致动阀或通过步进电机致动的阀)、至少一个液压传感器、以及电子控制单元。所述电子控制单元被配置为执行本发明用于控制液压系统中的至少一个控制变量的方法中的自动化步骤。

30、所述至少一个液压消耗器特别地是平移式或旋转式液压消耗器。例如，2/2比例方向控制阀、3/3比例方向控制阀、4/3比例方向控制阀或3/2比例方向控制阀可用作电致动阀。也可以使用相应的开关阀或座阀。开关阀在此被定义为只有“打开”和“关闭”位置的黑白或二进制阀。

31、通过使用至少一个电致动阀，所述至少一个电致动阀的致动电流可以用作合成控制器的操纵变量，特别地，电磁致动阀的致动电流或通过步进电机致动的阀的致动电流。相应地，现代液压系统中经常使用的电致动阀可以用作控制回路中的致动器。

32、优选地，所述液压系统的每个液压消耗器通过所述液压系统的至少一个电致动阀控制。因此，所述液压系统的每个液压消耗器的一个或多个控制变量可由合成控制器控制。优选地，使用本发明用于液压系统的电子控制器的基于测量数据自动化配置的方法期间，针对所述液压系统的每个液压消耗器识别基于计算机的模型结构。以此方式，所述合成的电子控制器针对每个现有的液压消耗器进行了专门的配置和优化。

33、优选地，至少一个液压传感器被分配给所述液压系统的每个电致动阀，从而所述液压系统的诸如压力或体积流量等相关液压参数可以就在电致动阀(控制变量)邻近直接获取，且可用于合成所述电子控制器并用于控制所述至少一个控制变量。优选地，针对每个电致动阀，所述电致动阀的上游压力和下游压力从去往所述液压消耗器的流动方向来看，由配置为压力传感器的液压传感器记录。