用于运行斜盘构造方式的轴向柱塞机的方法与流程

本发明涉及一种用于运行斜盘构造方式的轴向柱塞机的方法，其中，斜盘能够借助于调节装置进行调整，并且其中所述轴向柱塞机的调节量通过预先给出控制量来进行调节，以及一种用于实施所述方法的计算单元和这种轴向柱塞机。

背景技术：

就斜盘构造方式的轴向柱塞机而言，对于输送体积流量的适配调节斜盘的角度。这个角度在这个上下文中也被称为摆动角。通过这种调节能够实现不同的功能、例如体积流量控制、转速调节或者压力调节。这能够视机械调节装置（或者操控装置）和必要时传感器配置（sensorkonfiguration）而定通过多个机构来实现。这能够例如通过电子的摆动角调节器（该摆动角调节器合适地操控比例-方向阀）或者通过电比例的摆动角调节来实现，其中，通过具有机械的弹簧复位的比例-方向阀的操控电流来预先给出所述斜盘的摆动角。

例如电子调节器能够附加地被叠加这种电比例-调节，用于改善调节速度和相对于参数波动和干扰的稳健性。对于转速调节和压力调节，电子调节器能够被叠加摆动角控制或者-调节（于是在所谓的级联结构（kaskadenstruktur）中），或者能够例如对于所述压力调节使用电动液压压力调节器。电子调节器又能够被叠加这些，用于改善调节速度和相对于参数波动和干扰的稳健性。

技术实现要素：

根据本发明，建议了用于运行斜盘构造方式的轴向柱塞机的方法，用于实施所述方法的计算单元和具有独立权利要求的特征的轴向柱塞机。有利的方案是从属权利要求以及下面描述的对象。

根据本发明的方法用于运行斜盘构造方式的轴向柱塞机，其中，斜盘能够借助于调节装置进行调整，并且其中所述轴向柱塞机的调节量通过预先给出控制量来进行调节。作为调节装置在此尤其考虑液压的调节缸，该调节缸能够借助电磁的、尤其是电比例的阀进行调整。作为调节量尤其考虑摆动角、转速、所述轴向柱塞机的压力或者与此关联的量（例如所述斜盘的调节度）。

虽然本发明在此和在下文中详细地借助利用被叠加的转速调节的、电比例的调节进行描述，但是使用所述摆动角的调节的其他方式和其他提到的调节量同样也是可行的。

在使用所述轴向柱塞机的模型——在该模型中考虑了所述轴向柱塞机的至少一个运行量的相应当前值和所述控制量的当前值，所述运行量包括所述调节量——的情况下，在假设所述调节量的恒定额定值时，于是获取所述调节量的未来变化过程。作为运行量在此尤其考虑所述轴向柱塞机的转速和/或所述斜盘的调节度和/或所述调节装置的运行量。后者又能够在具有电磁的或者电比例的阀的调节缸的情况下包括阀滑板行程（ventilschieberweg）和/或在所述调节缸中的压力和/或在所述阀的一个或者多个线圈（作为一个或者多个电磁体的部件）中的电流。所述运行量在此能够被测量或者然而也能够例如在使用评估器（schätzer）或者过滤器的情况下被估计。

在考虑所述调节量的未来变化过程的情况下，于是能够获取和调整用于所述控制量的、待调整的值。作为控制量在此尤其考虑用于操控所述调节装置的操控量，所述操控量在具有电磁的或者电比例的阀的调节缸的情况下能够包括一电压，该电压施压至或者在电磁体上。同样作为控制量能够使用在尤其是被下置（unterlagerten）的电流调节中的额定-电流。因此也可能的是，通过使用所述模型（在该模型中能够考虑所述轴向柱塞机的几何尺寸和/或所述调节装置的几何尺寸，如它下面仍要详细阐述的那样）至少近似地预先计算所述调节量的未来变化过程，并且因此尽可能准确地相对于所述额定值跟踪（nachführen）所述调节量。

就此而言也特别有利的是，用于所述控制量的、待调整的值在使用优化计算的情况下——其中考虑了所述调节量的当前值由所述额定值的偏离和所述控制量的当前值——进行获取。对于所述至少一个运行量和/或所述控制量在此尤其也能够预先给出最大值和/或最小值。

就电比例调节而言，借助于比例-方向阀的操控电流来预先给出所述斜盘的摆动角。所述比例-方向阀在此调节所述体积流量并且也直接调节在所述调节缸中的压力。所述斜盘的摆动角能够机械地通过弹簧复位至比例-方向阀上。由此产生一摆动角，该摆动角基本上与操控电流成比例，并且通过机械的复位能够保持在调节区域内。通过这种机械的调节装置产生了在所述轴向柱塞机的摆动角和所述比例-方向阀的操控电流之间的直接关联（zusammenhang）。这种关联通过一特性曲线，所谓的电比例或者ep-特性曲线进行描述。对于改进的调节行为，电子的摆动角调节器能够被叠加具有机械调节回路（regelkreis）的电比例调节。这种摆动角调节器被证明是关于干扰量、系统的参数波动和在ep-特性曲线中的偏离稳健的。与纯电比例调节相比，所述电子调节器具有改进的、动态的调节行为，并且因此实现了高的调节速度。这个方面尤其对于轴向柱塞机的高动态转速调节意义重大。就级联（kaskadierten）的转速调节而言，所述摆动角调节器能够作为下置的转矩调节器（momentenregler）来运行。因此它直接影响整个转速调节回路的、能够达到的动态。

对于基于模型的调节器、尤其是摆动角调节器能够使用轴向柱塞机的、减小的模型，如同它例如也由“p.zeman,w.kemmetmüller,anda.kugi.mathematicalmodelingandanalysisofahydrostaticdrivetrain.inproceedingsofthe8thviennainternationalconferenceonmathematicalmodelling(mathmod),pages518-523,vienna,austria,18.02.-20.02.2015”已知的那样。在此能够使用下述等式：

其中，φ表示摆动角，该摆动角通过进到所述调节缸中的体积流量qv来调节。在此在调节缸中的压力建立的动态由于高动态而被假设为是稳态的（eingeschwungen）。此外，摆动托架（schwenkwiege）的惯性由于起较大作用的压力而被忽略。利用这种简化，所述调节直接取决于流入的体积流量qv和所述调节的几何结构（geometrie），其通过项cos²φ/rvav进行考虑。其中，rv是所述摆动托架的旋转轴至所述调节缸的距离，并且av是在所述调节缸中压力作用的面积。所述在调节缸位置和摆动托架之间的、几何结构的关联能够视结构而定地不同，并且在此仅示例性地进行描述。体积流量qv取决于阀滑板位置sv和调节缸压力pv。所述调节缸压力能够通过转矩平衡利用配对缸（gegenzylinder）和弹簧良好地被估计。

等式（1b）在此描述了阀滑板位置sv的减小的动态。因为所述滑板的质量mv相对于阀滑板阻尼kv非常小，所述在此阶（ordnung）能够借助于奇异扰动理论（singulärenstörtheorie）由二降至一。所述项（cv+cf）sv描述了作用在所述阀滑板上的弹簧力，其中弹簧常数cv用于中心弹簧（zentrierfeder）并且cf用于机械回位的弹簧。所述项ff（φ）描述了取决于摆动角φ的、机械回位的力，fm（im）描述了取决于有效线圈电流im的磁力，并且fjet（sv，pv）描述了取决于阀滑板偏移（ventilschieberauslenkung）和阀缸压力pv的电流力。适配于具有直接调节（就是说去除了机械的回位）的轴向柱塞机同样也是可行的。为此能够在模型中去掉值cf和ff（φ）。

此外可能的是，通过合适地适配模型等式也描述（abbilden）其他的调节。例如必须在使用压力调节阀时将附加的项fp（p）添加进用于所述压力的阀滑板等式中。

等式（1c）描述了具有电感lm和电阻rm的磁体的电流建立等式。电压um和电流im是所述两个线圈的有效量。um和im的正值在此描述了在第一线圈中的电流和电压，负值于是对应于那些第二线圈，只要这种存在。在此假设，所述线圈结构相同，并且仅仅承受较低的散布（streuungen），从而能够假设一共同的电阻和一共同的电感。如果不是这种情况，则应当对于每个线圈使用自己的模型，并且在等式（1b）中的磁力于是取决于两个线圈电流i1和i2地进行计算。

对于电流作为控制量的情况，等式（1c）例如能够表示用于电流的、封闭的调节回路的动态，或者如果所述动态足够高，则被忽略。

对于轴向柱塞机的转速调节，所述摆动角调节的模型能够（如它利用等式（1）所示出的那样）以用于所述轴向柱塞机的轴的转角速度ωt的微分方程（differenzialgleichung）进行扩展：

在此jc表示轴的转动惯量，ph表示在高压侧上的供给压力（versorgungsdruck）并且c0表示在100%调节时每个弧度（radient）的输送体积。作为摩擦模型，使用了具有库伦分量kc和粘性分量kv的简化方法。

相应地，能够对于通过所述轴向柱塞机的压力调节，将模型如它利用等式（1）示出的那样以用于压力p的微分方程进行扩展：

在此，k表示压缩模量（kompressionsmodul），v表示（可变的）体积，qa表示轴向柱塞机的体积流量，该体积流量除其他外取决于摆动角φ，ql表示液压负载，并且qη表示损失部分。如果负载和/或损失部分不充分地已知，则这些能够通过干扰量观察器(störgrößenbeobachter)进行估计。

所述用于摆动角-、转速-和压力调节的模型能够作为一般的非线性siso-系统（单进单出：singleinputsingleoutput）根据

利用控制输入（stelleingang）u=um进行描述。状态x（作为矢量）、调节模型的右侧f和输出端（ausgang）y取决于作为摆动角调节器或者转速调节器的运行模式而产生，如下面描述的那样。

在摆动角调节器时，对于状态x或者输出端y产生

在转速调节器时

并且在压力调节器时

作为右侧f在此分别出现上面提到的等式（1），必要时以所提到的微分方程（2）或者（3）进行扩展。

现在模型预测的轨迹跟踪调节（trajektorienfolgeregelung）的任务是，如此实施（aktuieren）所述系统，使得它跟踪一外部预先给出的额定信号yr（t）（在此在用于调节量的额定值的意义中）。对于调节器的扫描时间点tk（abtastzeitpunkt），模型的当前状态被测量或者借助于观察器进行重构。所述调节任务能够对于两种运行模式作为动态优化问题

在限制下

进行表达。当前状态用作对于在时间跨度t（zeithorizont）内的系统状态的预测的初始状态。对于轨迹跟踪调节的实现，合适地选取具有拉格让日密度i（lagerangescherdichte）和最终成本项（endkostenterm）v的品质函数j，例如以下述形式

和参数。预测的跟随误差（folgefehler）的权重（gewichtung）通过权重参数q和p决定，使得系统的输出端跟随额定信号。因为额定信号yr（t）的未来变化过程对于t>tk是不提前知道的，所以在预测跨度（prädiktionshorizonts）内恒定的额定变化过程

利用当前能够使用的额定值yr（tk）进行假设。这种近似不特别适合于短的时间跨度，如它在被观察的应用中出现的那样。具有权重参数r的、上面提到的品质函数（6）的控制量部分是正则化项（regularisierungsterm），借助于该正则化项能够避免振荡的控制量预先给出。这已经通过最小的噪声幅值在被测量的或者被估计的状态中被引起。在此，所述控制量的偏离相对于预先给出的参考变化过程ur（t）被加权。这在被观察的应用时是必要的稳态电压，该电压由轴向柱塞机的ep-特性曲线已知。利用如上所提及的限制（5c）和（5d），控制量-和状态限制在优化控制问题中被考虑。

对于根据（5）的优化控制问题的解来说，存在不同的数字方法。根据庞特里亚金（pontryagin）的最大原理（maximumsprinzip），（5）的优化解必须满足对于动态优化问题所必须的优化条件，例如它在“m.papageorgiou,m.leibold,andm.buss.optimierung:statische,dynamische,stochastischeverfahrenfürdieanwedung.springerberlinheidelberg,2012”所提到的那样。

人们将汉密尔顿-函数定义为

如此，由庞特里亚金的最大原理对于具有配属的状态轨迹x*（t）的优化解u=u*（t）如此遵循清楚的λ*（t）的存在，使得典范的（kanonischen）等式

在下述条件下

满足，微分方程系统（9b）被称为具有伴随状态λ的伴随系统。所谓的间接方法由必要的条件（9）出发，并且解决典型地出现的两点边缘值问题（zweipunktrandwertprobleme）。

对于具有实时能力的调节器的实现来说，能够例如使用在“k.graichen,m.egretzbergeranda.kugi.asuboptimalapproachtoreal-timemodelpredictivecontrolofnonlinearsystems.at-automatisierungstechnik,58(8):447-457,2010”中所描述的投影梯度法（projiziertegradientenverfahren）。在此，所述两个上面提到的微分方程系统（9a）和（9b）利用威享（heun）方法迭代地在时间中前后交替地进行数字积分。

作为次优化（suboptimales）方法，在预先给定的迭代数目之后被中断。在模型预测的调节的、被观察的情况中，在当前扫描步骤中的算法以预先给定的扫描步骤的解进行初始化。由此已经足够地，较低的迭代数目和次优化的解是优化的解的非常好的近似。利用所述方法，所提到的用于u（以所谓的箱形约束（boxconstraints）u=[umin;umax]的形式）的输入端限制（5c）被考虑到。状态限制（5d）能够在间接方法时借助所谓的、在品质函数（6）中的惩罚函数（straffunktionen）进行考虑，如这例如在“j.nocedalands.j.wright.numricaloptimization.springer,newyork,1999”中所描述的那样。但是，因为在此所述方法的收敛特性消极地被损害，所以应当在下面也描述用于解决所述优化控制问题（5）的直接方法。

与间接方法相反，直接方法近似优化控制问题（5）通过静止的优化问题。这接下来利用静止优化的数字方法予以解决。下面为此介绍一种可能的解决方案变型。例如在“m.diehl.real-timeoptimizationforlargescalenonlinearprocesses.dissertation,universitätheiderlberg,2001”中所描述的那样，进行了预测跨度的离散，以具有持续时间t/n的n次间隔的时间网格（zeitgitter）的形式。所述控制量在这些间隔的每个间隔上恒定地被放置，并且这个自由度在控制量矢量u^t=[u0,u1...,un-1]中被归纳。

因此这个选择定义了零碎地（stückweise）持续的控制量变化过程。此外，引入向量x^t=[x^t0,x^t1...x^tn]，并且作为状态轨迹的近似在时间网格的点处进行观察。在这个假设下，用于品质函数（5）的静止问题表达是

在下述条件下

在（10a）中的被加数lj是连续成本函数（5a）的合适的近似。写法（10b）表达了：在次间隔的末端的状态通过数字积分方法进行计算。数字方法特别适合作为用于模型预测的调节的、具有实时能力的方法，所述数字方法也基于在“b.houska,h.j.ferreau,andm.diehl.anauto-generatedreal-timeiterationalgorithmfornonlinearmpcinthemicrosecondrange.automatica,47(10):2279-2285,2011”中所描述的软件工具。在此充分利用的是，使得离散的品质函数（6）在所谓的非线性最小二乘形式（least-squares-form）中示出。通过使用在“h.g.bock.recentadvancesinparameteridentificationtechniquesforo.d.e.inp.deuflhardande.hairer,editors,numericaltrearmentofinverseproblemsindifferentialandintegralequations,boston,1983.birkhäuser”中所描述的、一般化的高斯-牛顿-方法，能够获得所述问题的黑森矩阵（hessematrix）的简单近似。在所观察的应用时，适合单发表达（single-shooting-formulierung），其中所述状态矢量x在优化问题（10）中取决于控制量矢量u地示出，并且因此减少了待解决的优化问题的维度。

下面解决二次程序（qp：quadratischesprogramm），这借助完成的软件包，所谓的qp-优化者来进行。直接方法相对于间接方法的优点在于，状态限制作为不等式限制接纳进静止优化问题的问题表达中。在状态限制存在时，因此一般其特点是解决算法的改进的收敛行为。所述两个运行模式，摆动角-和转速调节，能够利用所描述的间接或者直接方法来实现，它们在下面和在附图说明中为了更好的区别性利用其缩写进行标注。

这一方面涉及ipg-方法（间接投影梯度法）如在“k.graichen,m.egretzbergeranda.kugi.asuboptimalapproachtoreal-timemodelpredictivecontrolofnonlinearsystems.at-automatisierungstechnik,58(8):447-457,2010”中所描述的那样，另一方面涉及dss-方法（直接单发方法），该方法运用在“h.g.bock.recentadvancesinparameteridentificationtechniquesforo.d.e.inp.deuflhardande.hairer,editors,numericaltrearmentofinverseproblemsindifferentialandintegralequations,boston,1983.birkhäuser”，在“m.diehl.real-timeoptimizationforlargescalenonlinearprocesses.dissertation,universitätheiderlberg,2001”和在“b.houska,h.j.ferreau,andm.diehl,anauto-generatedreal-timeiterationalgorithmfornonlinearmpcinthemicrosecondrange.automatica,47(10):2279-2285,2011”中描述的算法。

根据本发明的计算单元、例如轴向柱塞机的控制装置尤其是在程序技术上被设置用于实施根据本发明的方法。斜盘构造方式的、根据本发明的轴向柱塞机具有调节装置，借助于该调节装置能够调整斜盘，并且具有根据本发明的计算单元。

所述方法以计算机程序的方式的实施也是有利的，因为这尤其导致特别低的成本，尤其当实施的控制装置还用于其他任务时，并且因此本来就存在。用于提供计算机程序的数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器、例如硬盘、闪存、eeprom、dvd以及其他等等。通过计算机网络（互联网、内部网）下载程序也是可行的。

本发明其他的优点和方案得出自描述和附图。

应当理解，前面所述的和下面仍待阐述的特征不仅能够在相应说明的组合中使用，而且也能够在其他的组合中或者在单独的情况下使用，而不脱离本发明的框架。

本发明借助于在附图中的实施例示意性地示出，并且接下来参照附图详细地进行说明。

附图说明

图1示意性地示出轴向柱塞机，利用该轴向柱塞机能够实施根据本发明的方法。

图2示意性地示出在优选的实施方式中根据本发明的方法的流程。

图3示出在实施在优选的实施方式中的根据本发明的方法时的测量结果。

图4示出在实施在其他优选的实施方式中的根据本发明的方法时的测量结果。

图5示出在实施在其他优选的实施方式中的根据本发明的方法时的测量结果。

具体实施方式

在图1中示意性地示出轴向柱塞机100，在此以轴向柱塞泵的形式，以斜盘构造方式。在所示出的横截面视图中，示出了两个活塞110，所述活塞能够在壳体105中行驶，并且支撑在斜盘120上。在作为泵的运行中，壳体105并且因此所述活塞110绕旋转轴125旋转。

在这里左侧示出的活塞110的侧上，流体以这种方式被吸入，所述流体通过旋转被压缩并且在这里右侧示出的活塞110的侧上被输出。

斜盘120并且因此所述摆动角φ能够借助于调节装置130进行调节。所述调节装置130在这里包括调节缸131——该调节缸在与斜盘的摆动摇架的距离rv中抓在斜盘120上——以及电比例阀131（该电比例阀具有两个线圈或者电磁体，电压u1或者u2能够施加在其上），并且该电比例阀用于调整或者调节在所述调节缸130中的调节缸压力。

在图2中示意性地示出在优选的实施方式中的、根据本发明的方法的流程，对此同时也能够阐述用于在所述方法的框架中被实施的模型预测调节（例如具有电比例调节的轴向柱塞机，如同该轴向柱塞机在图1中示出的那样）的结构和测量构造（messaufbau）。

调节器181——能够是计算单元或者控制装置180的部分——包含作为输入量的额定值yr。由此能够获取控制信号或者用于所述控制量um的值。为了避免在控制阀中的粘附（haften）,所谓的抖动信号ds能够被叠加所述调节器181的控制信号um。所得到的信号u'm能够借助于方框183换算成线圈的两个电压u1和u2。

所述两个线圈的电流i1和i2、调节度α=tan（φ）/tan（φmax）和转速nt=ωt/(2π)在此形成用于调节器181的、在所述轴向柱塞机100处的测量量。所述两个电流i1和i2在此算作（verrechnen）电流im。所述阀的阀滑板位置sv和调节缸压力pv在此对于稍后的应用定义为不能够测量的量，并且利用扩展的卡尔曼滤波器（extended-kalman-filter）182作为观察器进行重构或者估计。在尝试或者测试结构的尝试的框架内，但是也能够为了比较的目的而将其进行测量，但是它们没有进入到调节算法的计算中。

为了压制干扰和参数波动，所述观察器能够以具有恒定干扰的干扰量模型进行扩展。由此能够改进所述调节的静态准确性。

在图3中示出了利用根据所述提到的ipg-方法的摆动角控制器的测量。为此，调节度α以%、电压um以v、阀滑板位置sv以mm并且电流im以a分别在以s为单位的时间t上示出。在此利用附图标记v1、v2和v3标记用于7v、10v或者13v的电压限制的、相应的量变化过程，如这也在上面的第二行的图表中借助虚线表明的那样。

在上面第一行的图表中的虚线在此示出用于所述调节度的额定值，在上面第三行的图表中的虚线示出止挡限制（anschlagsbegrenzung）。

能够良好地看出，调节器总是驶入控制量限制中，并且因此实现了最大可能的调节速度。类似的结果也能够利用dss-方法达到。

在图4中示出了用于利用dss方法的摆动角调节的测量，其中，考虑到用于在调节器中的电流的状态限制。其中，调节度α以%、电压um以v、并且电流im以a分别在以s为单位的时间t上示出。利用附图标记v4和v5在此标记用于2a或者5a的电流限制的、相应的量变化过程，如这也在右侧的图表中利用虚线表明的那样。

人们非常良好地识别在测量的电流im中的限制的作用。由于所述叠加的抖动信号，限制了时间上平均化的电流变化过程。一但达到电流限制，调节器就减小电流。

在图5中示出了利用根据ipg-方法的转速调节器的测量。在此转速nt以1/分、电压um以v并且调节度α以%分别在以s为单位的时间t上示出。在此，分别观察具有不同的目标转速的、阶跃形的额定预定。

在此人们也识别到，所述控制器能够考虑到所述控制量的限制。此外，在上面第二行的图表中，轴向柱塞机的加速度由静止示出。这由于在轴向柱塞机的轴中的高附着摩擦（haftreibung）而是对于所述调节器的特别的挑战。

所介绍的方法现在能够尤其是用于利用任意的、斜盘构造方式的轴向柱塞机的摆动角调节、转速调节和压力调节。

对于这种应用的例子是：用于车辆，该机车具有通过轴向柱塞机的、部分或者完全的液压的功率传递。利用摆动角调节器能够实现体积流量的调节。如果轴线柱塞机能够通过可开闭的离合器与驱动系分离，那么通过所述转速调节器存在所述转速与驱动系的转速同步化的可能性。

通过压力调节能够调节所述轴向柱塞机的驱动转矩。在通过轴向柱塞机供给工作液压系统（arbeitshydraulik）的情况下，通过所建议的方法同样也能够调节体积流量并且因此例如也调节所述调节速度或者压力并且因此例如又调节在执行器处的力。