Flachheitsbasierte Steuerung und Regelung eines Hydraulikzylinders

Volltext: Ein hydraulischer Stellzylinder, der die Achsen eines rechnergesteuerten Großmanipulators antreibt, soll im gesamten Geschwindigkeits- und Lastbereich hochgenau geregelt werden. Durch die Erweiterung des Zylinderantriebs von einem Eingrößensystem mit einem Stellventil zu einem Mehrgrößensystem mit zwei Stellventilen können die Kolbenposition und der Druck im Zylinder entkoppelt werden, so daß sich diese Größen unabhängig voneinander regeln lassen. Die Regelungsaufgabe für den Hydraulikzylinder besteht darin, den Kolben einer durch eine übergeordnete Bahnplanung vorgegebenen Solltrajektorie nachzuführen. Dabei muß sichergestellt werden, daß die Drücke in den Zylinderkammern nicht unter einen bestimmten Mindestdruck absinken, da sonst Sicherheitsventile ansprechen, die zu unerwünschten Schwingungen des Systems führen. Das genannte Trajektorienfolgeproblem wird mit Hilfe einer flachheitsbasierten Steuerung und Reglung gelöst. Es läßt sich zeigen, daß das Modell des Hydraulikzyli nders ein flaches System ist. Dabei bereitet die Tatsache, daß das nichtlineare Systemmodell nur abschnittsweise stetige Funktionen aufweist, keine Schwierigkeiten. Zur Lösung des Folgeproblems geht man zweistufig vor: Zunächst wird für den Druck in einer Kammer eine Solltrajektorie gewählt, die das Ansprechen von Sicherheitsventilen vermeidet. Die Solltrajektorie für die Kolbenposition wird von einer übergeordneten Bahnplanung vorgegeben. In einem zweiten Schritt realisiert man das Sollverhalten durch eine Steuerung. Zur Verbesserung der Ergebnisse wird eine asymptotische Folgeregelung entworfen, für deren Realisierung ein Beobachter benötigt wird. Dieser nichtlineare Folgebeobachter wird im geschlossenen Regelkreis auf der Bais der Linearisierung um die Solltrajektorien entworfen und ausgelegt. Simulationen zeigen, daß die flachheitsbasierte Regelung einen deutlich kleineren Schleppfehler als die sonst verwendete adaptive Eingrößen-Regelung aufweist. Dies gilt auch für den Fall, daß die Regelung nur zu diskreten Zeitpunkten neue Stellsignale liefern kann