專利名稱：使用估計的傳感器值控制流體回路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及電子-液壓系統(tǒng)的控制，并且具體涉及用于維持具有發(fā)生故障的壓力或位置傳感器的電子-液壓系統(tǒng)或流體回路的控制和操作的裝置和方法。
背景技術：
電子-液壓系統(tǒng)或流體回路單獨或相結合地利用各種電氣致動和液壓致動的裝置來提供開環(huán)或閉環(huán)反饋控制。特別地，在閉環(huán)系統(tǒng)中，能夠使用反饋機構或傳感器來監(jiān)控回路輸出值。每個傳感器都能夠生成與測出的輸出成比例的信號，并且能夠使用適當的控制邏輯裝置或控制器將該輸出與特定的輸入或命令信號進行比較以確定是否需要任何調節(jié)或控制步驟。用于在電子_液壓流體回路中使用的傳感器一般包括壓力換能器、溫度傳感器、位置傳感器等。在常規(guī)的流體回路中，能夠通過連續(xù)處理各種測出或感測到的輸出值來維持流體回路的操作的精確控制。供應壓力和罐壓力以及在回路內使用的控制閥、缸或流體馬達的特定端口或腔室上操作的壓力能夠被連續(xù)饋送到控制單元或控制器。然而，如果任何所需的壓力傳感器或位置傳感器發(fā)生故障或者無論由于什么原因停止正常工作，則常規(guī)流體回路中系統(tǒng)控制會失去或嚴重劣化。雖然存在用于檢測超范圍傳感器操作或用于確定短接或斷開回路的某些基于代碼的方法，但這種方法通常引起利用該流體回路的過程的臨時停止，并且因此當需要連續(xù)流體回路操作時不能達到最佳效果。
發(fā)明內容
相應地，一種電子-液壓系統(tǒng)或流體回路包括構造成保持流體供應源的池或罐、 具有預定負載構造的液壓裝置和用于從該罐抽吸流體并在壓力下將其輸送到液壓裝置的泵。傳感器適合用于測量供應壓力、罐壓力、和液壓裝置以及一個或多個附加閥(例如與液壓裝置流體并聯(lián)定位的流體調節(jié)閥)的可動閥芯部分或其它可動部分的位置。控制器具有一算法，該算法適合用于使用預定負載構造估計或重構流體回路中的多個傳感器中任何一個發(fā)生故障的傳感器的輸出值，從而確保液壓裝置和流體回路的連續(xù)操作。使用本發(fā)明的方法——該方法能夠通過上述計算機可執(zhí)行的算法來實施，不管是否存在發(fā)生故障的傳感器，也能夠對流體回路維持一定的控制水平。對流體回路的準穩(wěn)態(tài)分析能夠獲得流體回路的基本面。在包括泵、儲器或罐、多個止回閥和/或流體調節(jié)閥、以及具有第一和第二工作腔室或端口的缸、流體馬達或其它裝置的流體回路中，存在未知變量Qa、Qb和Qf。v，其中Qa代表進出缸的第一工作腔室的流量，Qb是進出缸的第二工作腔室的流量，且Qf。v是通過與缸和泵流體并聯(lián)定位或連接的流體調節(jié)閥的孔口的流量。根據本發(fā)明，以這種方式構成的流體回路能夠經由一組預定的非線性方程建模，所述方程因流體回路的故障狀態(tài)——即當流體回路活動時(也就是說，當流體從工作腔室a流到工作腔室b 或從工作端口 b流到工作端口 a時)發(fā)生的傳感器故障一而異，如下文所述。因此，該方法允許使用標定的、已知的或預定的負載構造(例如，在諸如缸或流體馬達的雙端口裝置中，通過相應工作腔室或端口的流速之間的關系)估計或重構否則會丟失或無法獲得的傳感器信號。適合用于執(zhí)行該方法的流體回路能夠包括具有算法的控制器，該算法適合用于處理來自多個壓力和位置傳感器的輸出值，與壓力和位置測量值相結合地使用標定的體積和測出的壓力和/或其它所需數據計算任何所需的流量信息，并使用一組非線性方程估計丟失的傳感器值。然后，控制器利用該估計值自動控制流體回路直到例如傳感器能夠被診斷、修復或更換時。更具體地，該方法允許估計或重構具有控制器、泵、罐、液壓裝置和流體調節(jié)閥的流體回路中的多個傳感器中的任何一個傳感器的輸出值。調節(jié)閥與液壓裝置流體并聯(lián)。該方法包括感測來自所述多個傳感器的一組輸出值、使用控制器處理所述輸出值以判斷是否存在發(fā)生故障的傳感器、并使用控制器利用液壓裝置的預定負載構造計算發(fā)生故障的傳感器的估計輸出值。能夠利用該估計的輸出值來控制液壓裝置直到發(fā)生故障的傳感器能夠被修復或更換，從而確保流體回路的連續(xù)操作。本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點以及其它特征和優(yōu)點易于從以下結合附圖對用于實施本發(fā)明的最佳模式的詳細描述而顯而易見。
圖1是根據本發(fā)明具有控制器的處于第一傳感器故障狀態(tài)下的示例性流體回路的示意圖；圖2是處于第二傳感器故障狀態(tài)下的圖1的示例性流體回路的示意圖；和圖3是描述可與圖1-2的流體回路一起使用的控制方法的流程圖。
具體實施例方式參照附圖，其中幾幅圖中同樣的參考標號始終與同樣或相似的構件相對應，并且從圖1開始，示出了處于如下文將描述的第一可能的傳感器故障狀態(tài)下的流體回路10。流體回路10包括泵(P) 12和低壓儲器、池或罐14。罐14保持或容納流體15的供應源，該流體被泵12抽吸并在壓力(Ps)下經由供應管線11被輸送到液壓裝置24。在圖1的示例性實施例中，液壓裝置24被構造成容納滑閥或活塞26的雙腔室缸27，其中缸27具有分別與缸27內并由缸27和活塞26限定的工作腔室a和b連通的第一工作端口 31和第二工作端 Π 33。用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的控制邏輯或算法100能夠被編程或者記錄在控制器 (C) 30內并被執(zhí)行以根據需要選擇性地控制流體回路10內的各種流體控制裝置，從而驅動下游流體回路(FC) 28，包括例如但不限于液壓機械、閥、活塞、蓄能器等物品。FC 28又經由返回管線13與罐14流體連通。能夠與流體回路10的各種構件直接有線通信或無線通信的控制器30從傳感器 18A-D和19A-C接收一組壓力和位置輸入信號(箭頭25)，如下文說明的。流體回路10能夠構造成數字計算機，該數字計算機一般包括CPU和充足的內存，例如只讀存儲器(ROM)、 隨機存取存儲器(RAM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)等。控制器30能夠包括高速時鐘、模擬_數字(A/D)和數字-模擬(D/A)電路，和輸入/輸出電路和裝置(I/O)，以及適當的信號調制和緩沖電路?？刂破?0中駐留或可通過其存取的任何算法，包括下文參考圖3所述的算法100，或任何其它所需的算法，能夠被存儲在ROM中并由控制器30自動執(zhí)行以提供所需的回路控制功能。流體15被選擇性地允許在供應壓力(Ps)下經由供應管線11進入流體回路10。流體調節(jié)閥16在一對壓力傳感器18A和18B、例如壓力換能器或其它適當的壓力感測裝置之間與液壓裝置24流體并聯(lián)地定位。傳感器18A定位成并適合用于測量供應壓力(Ps)，而傳感器18B定位成并適合用于測量返回管線或罐壓力(Pt)。從泵12流來的流體15的一部分或全部能夠按需經調節(jié)閥16從液壓裝置24分流并回到罐14。流體回路10包括適合用于分別測量調節(jié)閥16、閥20和閥22中相應滑閥的位置的位置傳感器19A、19B和19C。附加壓力傳感器18C、18D定位成與液壓裝置24流體串聯(lián)。 傳感器18C定位成并適合用于測量在液壓裝置24的工作腔室a或第一工作端口 31上操作的流體壓力(Pa)，并定位在第一閥20的下游。第一閥20能夠構造為任何適當的流體控制閥，其適合用于沿箭頭C的方向將來自泵12的流體15引入液壓裝置24的第一工作端口 31 以便沿箭頭C的方向移動活塞26。第二閥22防止流體15流入工作端口 33。傳感器18D 定位成并適合用于測量在液壓裝置24的工作腔室b或第二工作端口 33上操作的流體壓力 (Pb) °在正常操作狀況下，變量Ps、Pt、PjPPb是已知的，由相應的壓力傳感器18A-18D感測或測量。位置變量xa、xb和Xf。v也是已知的，由位置傳感器19A-C感測。變量Xa和Xb分別表示活塞26在工作腔室a和b中的位置，而Xfev表示流體調節(jié)閥16的閥芯部分的位置。 三個未知變量包括如上所述的Qa、Qb和Qf。v，即，分別進入第一工作端口 31、第二工作端口 33 和調節(jié)閥16的流量。因此使用以下三函數方程組為這些值提供唯一的解法f 1 (Qa, Ps, Pa, xa) =0；f2(Qb，Pt，Pb，xb) = 0 ；禾口f3 (Qfcv, Ps, Pt, xfcv) =0例如，fl(Qa，Ps, Pa, Xa) = Qa - CdA(Xa)Sgn(Ps-Pa)^ZfplPs - Pa\,% 中
cd為排放系數，P為流體密度，且A是作為滑閥位置的函數的孔口面積。然而，在其中傳感器18A-D或19A-C中的一個發(fā)生故障的傳感器故障狀態(tài)下，在不借助于另外的信息的情況下不能唯一地解出以上方程組。例如，如果在工作端口 31處的壓力或Pa由于傳感器18C的故障而無法獲得，則其余已知變量為Ps、Pt> Pb、xa> xb和xf。v。現(xiàn)在有四個未知變量，即，與前面相同的Qa、Qb和Qf。v，以及未知值Pa。在基于觀察者/觀測者的模型中，能夠通過將模型輸出與實際測量值進行比較來估計狀態(tài)變量。僅在系統(tǒng)本身完全可觀測的情況下能夠容易地重構信號。然而，基于觀察者的模型在面臨未知負載條件例如定位在流體缸內的活塞、流體馬達的一部分或典型的雙端口流體裝置的任何可動部分的速度的情況下受到嚴峻的挑戰(zhàn)。例如，能夠經由以下方程對流體回路建模Pa = {p/V){Qa{Ps, Pm xa) - Axcyl)其中Pjg的是在2端口裝置的第一端口或“工作端口 a”處的流體壓力的變化，β 是回路中所用的流體的體積模量，V是缸的容積，Qa是通過工作端口 a的流速，Ps是供應壓力，Pa是在腔室a或工作端口 31處的壓力，且Xa是滑閥或活塞在腔室a或工作端口 31處的閥芯位置。另外，A是缸的截面積，且文yi是缸的位置的變化率，即，缸的速度。值這種示例性缸內是未知負載條件。利用算法100，液壓裝置24的負載構造能夠提供如使用未知變量確定的進一步的約束條件。例如，如果缸27的任一側上的工作腔室大小相等，則對于如圖1和2所示的缸 /馬達連接，Qa = -Qb,或者如果工作腔室a和b大小不同，則Qa = - (AJAh) (Qb)，其中Aa是工作腔室a中的活塞面積且Ab是工作腔室b中的位置面積。因此，算法100能夠使用非線性方程來確定第一傳感器故障模式中的三個未知變量。相應地，能夠使用以上方程來估計傳感器信號Ps、Pt> Pa、Pb、xa和xb中的任何一個。參照圖2，圖1的流體回路10被示出處于第二傳感器故障狀態(tài)下，即，當流體在工作端口 33被施加以沿箭頭D的方向移動活塞26時。如上所述，能夠利用用于液壓裝置24 的已知負載構造來估計或重構丟失的傳感器信號Ps、Pt> Pa、Pb、xa和xb中的任何一個。參照圖3，結合圖1和2的流體回路10，能夠經由算法100執(zhí)行本發(fā)明的方法。在步驟102開始，控制器30連續(xù)地或者根據規(guī)定的周期循環(huán)時間讀取來自傳感器18A-D和 19A-C各者的輸出值。在正常操作中，控制器30利用控制邏輯來處理這些值，并且根據這種控制邏輯選擇性地致動液壓裝置24和下游流體回路28中任何另外的下游裝置(如果使用的話)。然后，算法100轉入步驟104。在步驟104，控制器30判斷傳感器18A-D和19A-C中的任何一個是否已發(fā)生故障。 如果為“否”，則算法100結束，有效地從步驟102重新開始并重復步驟102和104直到判斷存在這種傳感器故障。如果傳感器已發(fā)生故障，則算法100轉入步驟106。在步驟106，算法100估計或重構用于發(fā)生故障的傳感器的值。該估計值在圖3 中作為值(e)表示。例如，如果傳感器18C已發(fā)生故障，結果將無法獲得輸出值Pa。繼續(xù)傳感器18C的示例，未知變量將是Qa、Qb、Qfcv和Pa。然而，如果對圖2和3所示的缸或馬達連接給定已知負載構造，例如Qa = _Qb，則四個未知變量減少到三個Qa (或Qb)、Qf。v* Pa。然后，算法100使用如上所述的非線性方程，即Π (Qa，Ps, Pa, xa) = 0 ；f2(Qb, Pt, Pb, xb) = 0 ； 和 f3(Qf。v，Ps, Pt, xfcv) = 0，來估計該值(e)。一旦已在步驟106確定或算出估計值(e)，算法100便轉入步驟108，其中控制器 30使用該估計值(e)來執(zhí)行圖1和2的流體回路10的控制。因此，能夠維持流體回路10 的連續(xù)控制。然后，算法100能夠結束，或者任選地可轉入步驟110。在步驟110，能夠激活警報，或者能夠采取另一個適當的控制動作，以確保引起對存在發(fā)生故障的傳感器的注意。這樣，能夠按需適當地診斷、修復或更換故障傳感器。相應地，使用如上所述的控制算法100作為圖1和2的流體回路10的一部分，能夠實現(xiàn)流體回路10的單次傳感器故障操作。給定負載構造，如果在傳感器故障時正在工作， 則可以重構單個發(fā)生故障的傳感器信號的大部分。如果停止工作，即，如果液壓裝置24的兩個工作端口 31和33關閉，則會難以準確地估計發(fā)生故障的傳感器信號。雖然已詳細描述用于實施本發(fā)明的最佳模式，但熟悉本發(fā)明相關領域的技術人員將認識到用于在所附權利要求的范圍內實施本發(fā)明的各種替換設計和實施例。同樣，雖然已參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員應理解，可作出各種更改并且可用等同裝置代替其元件而不脫離本發(fā)明的范圍。另外，可作出許多改型以使具體情形或材料適合本發(fā)明的教導而不脫離本發(fā)明的實質范圍。因此，本發(fā)明并非旨在局限于作為為實施本發(fā)明而預期的最佳模式公開的具體實施方式
，相反，本發(fā)明將包括落入所附權利要求的范圍內的所有實施方式。
權利要求
1.一種流體回路(10)，包括:構造成用于保持流體(15)的罐(14)；具有預定負載構造的液壓裝置(24)；泵(12)，所述泵(12)可操作以從所述罐(14)抽吸所述流體(15)并且在壓力下將所述流體(15)輸送到所述液壓裝置(24)；多個傳感器(18A-D、19A-C)，每個所述傳感器都適合用于測量來自所述泵(12)的供應壓力(Ps)、所述罐(14)處的罐壓力(Pt)和所述液壓裝置(24)的可動部分(26)的位置中的至少一者；和控制器(30)，所述控制器具有算法(100)，所述算法適合用于當所述多個傳感器 (18A-DU9A-C)中的任何一個傳感器中發(fā)生預定的故障時使用所述預定的負載構造估計所述一個傳感器的輸出值，從而確保所述液壓裝置(24)的連續(xù)操作。
2.根據權利要求1所述的流體回路(10)，其特征在于，所述液壓裝置(24)是缸-活塞裝置和流體馬達裝置中的一者。
3.根據權利要求1所述的流體回路(10)，還包括與所述液壓裝置(24)流體并聯(lián)的流體調節(jié)閥(16)，其中所述流體調節(jié)閥(16)具有可動部分，并且其中所述多個傳感器 (18A-DU9A-C)包括用于測量所述流體調節(jié)閥(16)的所述可動部分的位置(xf。v)的第一位置傳感器(19C)。
4.根據權利要求1所述的流體回路(10)，其特征在于，所述液壓裝置(24)具有第一和第二工作端口(31、33)，并且其中所述預定的故障是當所述流體(15)從所述泵(12)被輸送到所述第一工作端口(31)和所述第二工作端口(33)中的一者時發(fā)生的故障。
5.根據權利要求1所述的流體回路(10)，其特征在于，所述算法(100)適合用于使用預定的一組非線性方程來估計所述輸出值。
6.一種適合與流體回路(10) —起使用的流體控制系統(tǒng)，所述流體回路(10)包括構造成用于保持流體(15)的罐(14)、具有設置在缸(27)內以與其相結合地限定第一和第二工作端口(31、33)的活塞(26)的液壓裝置(24)、具有閥芯部分的流體調節(jié)閥(16)、和可操作以便從所述罐(14)抽吸所述流體(15)并在壓力下將所述流體(15)輸送到所述第一和第二工作端口(31、33)中的一者的泵(12)，所述流體控制系統(tǒng)包括一組壓力傳感器(18A-D)，每個壓力傳感器都適合用于測量來自所述泵(12)的供應壓力(Ps)、在所述罐(14)處的罐壓力(Pt)、在所述第一工作端口(31)處的第一壓力(Pa)和在所述第二工作端口(33)處的第二壓力(Pb)中的一者；一組位置傳感器(19A-C)，所述位置傳感器適合用于測量所述調節(jié)閥(16)的所述閥芯部分的相應位置(xf。v)和所述活塞(26)的位置(xa、xb)；和具有算法(100)的控制器(30)，所述算法適合用于在所述壓力和位置傳感器(18A-D、 19A-C)中的任何一個傳感器發(fā)生預定故障的情況下使用所述液壓裝置(24)的預定負載構造估計所述一個傳感器的輸出值，從而確保所述液壓裝置(24)的連續(xù)操作。
7.根據權利要求6所述的流體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述預定負載構造作為表示通過所述第一和第二工作端口(31、33)的流速的比例的標定的方程在所述控制器(30)內建模。
8.根據權利要求6所述的流體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述算法(100)通過計算一組三個不同的非線性方程的解來估計所述輸出值。
9.根據權利要求8所述的流體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性方程中的每一個都是通過所述液壓裝置(24)和所述流體調節(jié)閥(16)中的一者的流速的函數。
10.根據權利要求9所述的流體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述線性方程中的每一個都是罐壓力(Pt)、供應壓力(Ps)、所述活塞(26)的位置(xa、xb)和所述調節(jié)閥(16)的所述閥芯部分的位置(xf。v)的函數。
11.一種用于估計或重構流體回路(10)中的多個傳感器(18A-D、19A-C)中的任何一個傳感器的輸出值的方法(100)，所述流體回路(10)具有控制器(30)、泵(12)、罐(14)、液壓裝置(24)和與所述液壓裝置(24)流體并聯(lián)的流體調節(jié)閥(16)，所述方法包括感測來自所述多個傳感器(18A-D、19A-C)的一組輸出值(Ps、Pt、Pa、Pb、Xa、xb、xfJ ；使用所述控制器(30)處理所述一組輸出值(Ps、Pt、Pa、Pb、Xa、Xb、Xf。v)，從而判斷所述多個傳感器(18A-D、19A-C)當中是否存在發(fā)生故障的傳感器；響應于對發(fā)生故障的傳感器的判斷而使用所述控制器(30)計算所述發(fā)生故障的傳感器的估計輸出值，其中所述估計值的計算使用所述液壓裝置(24)的預定負載構造；和使用所述估計輸出值自動控制所述液壓裝置(24)的操作直到所述發(fā)生故障的傳感器能夠被修復或更換，從而確保所述流體回路(10)的連續(xù)操作。
12.根據權利要求11所述的方法(100)，其特征在于，處理所述一組輸出值(Ps、Pt、Pa、 Pb, Xa, Xb, Xfcv)包括將所述一組輸出值(Ps、Pt、Pa、Pb、xa、xb、xf。v)中的每個輸出值與標定的閾值進行比較以判斷是否存在發(fā)生故障的傳感器。
13.根據權利要求11所述的方法(100)，其特征在于，計算所述發(fā)生故障的傳感器的估計輸出值包括使用所述預定負載構造導出僅具有三個未知變量的一組非線性方程。
14.根據權利要求13所述的方法(100)，其特征在于，使用所述控制器(30)計算估計輸出值包括解出所述三個未知變量中的一個，從而確定所述估計輸出值。
15.根據權利要求11所述的方法(100)，其特征在于，所述液壓裝置(24)具有一對工作端口(31、33)，并且其中所述預定負載構造是所述一對工作端口(31、33)的標定流量比。
全文摘要
流體回路(10)包括用于保持流體(15)的罐(14)、具有預定的負載構造的液壓裝置(24)和用于在壓力下將流體(15)輸送到液壓裝置(24)的泵(12)。傳感器(18A-D、19A-C)測量供應壓力(Ps)、罐壓力(Pt)和所述液壓裝置(24)的一部分的位置(xa、xb)中的至少一者?？刂破?30)在任何一個傳感器發(fā)生預定故障的情況下使用該預定的負載構造估計或重構該傳感器的輸出值，從而確保液壓裝置(24)的連續(xù)操作。用于估計輸出值的方法(100)包括使用傳感器(18A-D、19A-C)感測輸出值、使用控制器(30)處理輸出值以判斷是否存在發(fā)生故障的傳感器、和使用該預定的負載構造計算發(fā)生故障的傳感器的估計輸出值。使用該估計的輸出值維持液壓裝置(24)的操作直到該發(fā)生故障的傳感器能被修復。
文檔編號F15B20/00GK102459923SQ201080025072
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2009年4月7日
發(fā)明者Q·袁 申請人:伊頓公司