液压系统以及用于所述液压系统的控制系统
技术领域
所提出的解决方案涉及一种系统，所述系统包括液压系统以及用于所述液压系统的控制系统。所提出的解决方案还涉及一种用于控制所述液压系统的方法。
背景技术
液压系统应用液压蓄压器以用于接收并且存储经加压的液压流体。如果需要的话，则经加压的液压流体可以从蓄压器返回到液压系统。因此，给定量的能量可以被存储在蓄压器中，以被返回以供在液压系统中使用，例如至一个或多个液压致动器。液压流体的体积流可以从蓄压器被运送到致动器，所述致动器可以通过来自蓄压器的所述体积流而被保持在运动中。
预定最大量的液压流体可以被存储在蓄压器中，使得例如致动器的移动不能被无限地维持，因为蓄压器将被耗尽并且通常其压力将同时下降。液压流体的体积流用完可导致致动器行为中的这样的不可控或不合期望的改变，诸如在致动器的速度中的突然减小。
发明内容
将在权利要求1中公开通过根据将被提出的解决方案的液压系统及其控制系统所形成的液压系统。将在其它权利要求中提出所述解决方案的一些示例。
根据所提出的解决方案的、液压地被操作的系统包括：压力线，其提供经加压的液压流体；泵，其被配置成将经加压的液压流体供给到所述压力线；被连接到所述压力线的致动器，其用于从所述压力线接收经加压的液压流体并且用于移动所述致动器；阀设备，其被配置成控制从所述压力线到所述致动器的经加压的液压流体的流量、以及所述致动器的速度；电子控制单元，其被配置成监视并且控制所述系统的功能，通过与在任何给定时间所述致动器的所期望的速度成比例的控制信号来控制所述阀设备；被连接到所述压力线的蓄压器，所述蓄压器可以从所述压力线接收经加压的液压流体，并且所述蓄压器可以同时利用泵来向所述压力线供给经加压的液压流体以用于运行所述致动器；传感器设备，其被配置成直接或间接地测量在任何给定时间在蓄压器中的经加压的液压流体的量，并且被配置成将与经加压的液压流体的所述量成比例的测量信号传输到所述电子控制单元；以及设置设备，其被配置成生成设置信号并且将所述控制信号设置成与在任何给定时间所期望的致动器的速度成比例。
在所提出的解决方案中，所述电子控制单元被配置成限制致动器的目标速度不超过预定最大速度，所述最大速度与蓄压器中的经加压的液压流体的量成比例。
在所提出的解决方案的示例中，所述电子控制单元被配置成将致动器的目标速度限制到最大速度，所述最大速度不仅与以上提及的量而且还与蓄压器中经加压的液压流体的压力成比例。
在所提出的解决方案的示例中，所述电子控制单元被配置成将致动器的目标速度限制到最大速度，所述最大速度不仅与以上提及的量和压力而且还与在任何给定时间由致动器所生成的功率成比例。
在根据所提出的解决方案的方法中，致动器的目标速度被限制成不超过预定最大速度，所述预定最大速度与蓄压器中的经加压的液压流体的量成比例。
根据所提出的解决方案的系统可以被应用在包括用于提升和转移负载的吊杆的起重机中，或被应用在可以用于提升或转移负载的机器中。所述吊杆被配置成被所述系统可移动。所述吊杆可以被放置在移动机器中。
根据所提出的解决方案的液压控制系统具有如下优点：被存储在蓄压器中的能量的最大利用，避免由蓄压器的耗尽所引起的致动器的速度中的突然改变。
附图说明
将在下面参考附图来更详细地描述所提出的解决方案。
图1示出了实现在其中可以应用所提出的解决方案的液压系统及其控制系统的原理。
图2示出了控制图1的系统的致动器的速度v并且基于蓄压器中液压流体的量V来设置其最大速度vmax的原理。
具体实施方式
图1示出了液压系统以及用于控制它的控制系统的示例，在所述示例中可以应用所提出的解决方案。
根据所提出的解决方案的液压系统及其控制系统、换言之系统10包括：压力线40、至少一个致动器22、用于控制液压流体的体积流量的至少一个阀设备38、至少一个液压蓄压器26、至少一个传感器设备34和/或传感器设备36、至少一个液压泵12、以及控制所述系统10的操作的电子控制单元30。
致动器22可以被配置成移动致动器向其施加力的负载48，所述力取决于被供给到致动器22的液压流体的压力以及致动器22的大小制定（sizing）。优选地，它是线性致动器、例如液压缸，其包括往复活塞。致动器22被配置成在两个相反的方向X1和X2上移动。当液压流体被供给到致动器22的时候，致动器22要么扩张并且在方向X1上移动，要么收缩并且在方向X2上移动。在示例中，当液压流体从致动器22被运送走的时候，致动器22在相对于其中液压流体被供给到致动器22中的情形的相反的方向上移动。致动器22、其活塞或负载48的速度将取决于致动器22的大小制定、以及被供给到致动器22的液压流体的体积流速率，即每单位时间液压流体的流量以及致动器22的体积。
致动器22被连接到压力线40以用于将经加压的液压流体供给到致动器22。阀设备（诸如阀设备20）可以被连接到压力线40，以用于将压力线40中的液压流体的压力限制到预定的最大值。
致动器22可以是单动式或双动式的。致动器22可以是单腔室、双腔室或多腔室致动器。为了移动致动器22，液压流体同时被供给到致动器22的一个或多个腔室。在致动器22的操作期间，液压流体可以同时离开致动器22的一个或多个腔室。
泵12被配置成将经加压的液压流体供给到压力线40。泵12被连接到压力线40，其经由例如线44。由泵12所产生的液压流体的最大体积流量和最大压力将取决于泵12的大小制定。
泵12属于固定体积类型或者优选地是可调位移泵，由此，由泵12所产生的体积流量可以被调整，例如在通过预定的最小和最大值所设置的限制内。泵12通过马达14来被旋转。马达14例如是电马达或内燃机。
泵12被供给有来自例如用于液压流体的箱槽（tank）18的液压流体。
液压流体从致动器22返回到例如另一压力线42，在其中液压流体的压力比在压力线40中的更低。压力线42还可以被用作箱槽线，经由所述箱槽线，从致动器22返回的液压流体将流到箱槽18中。箱槽18被连接到压力线40，其经由例如线46。
系统10可以包括阀设备20，通过所述阀设备20，从泵12到压力线40以及反之亦然的液压流体的存取和流量可以被控制。阀设备20可以被放置在例如线44中。阀设备20还可以被配置成控制从压力线40到箱槽18的液压流体的存取和流量。阀设备20可以包括一个或多个控制阀。
阀设备38控制从压力线40到致动器22（例如去往和来自其腔室中一个或多个）的液压流体的流量。优选地，阀设备38还被配置成关闭在压力线40与致动器之间的连接和体积流。阀设备38控制液压流体的体积流速率，致动器22的速度继而取决于所述体积流速率。取决于阀设备38的大小制定的最大体积流量同时确定致动器22的最大速度。为了调整体积流量，阀设备38优选地是电子地可控的。
阀设备38可以包括一个或多个控制阀，所述控制阀可以例如属于比例定向阀的类型，所述比例定向阀电子地可控并且其体积流量与由阀设备38所接收的控制信号成比例。所述控制阀是例如比例双向两位置定向控制阀。所述控制阀可以是位置反馈阀、力反馈阀、或速度反馈阀。对于致动器22的每个腔室，提供一个控制阀或若干并行的控制阀以用于从压力线40向致动器20供给液压流体。替换地，所述并行控制阀可以是例如开/关受控的定向阀或关断阀。
阀设备38由电子控制单元30来控制，所述电子控制单元30可以包括例如用于控制阀设备38的一个或多个电子控制卡。控制单元30的功能是生成控制信号32，例如电流信号，以用于控制阀设备38。
系统10的功能由控制单元30来监视和控制。控制单元30优选地是基于可编程微处理器的设备，其运行被存储在其存储器中的一个或多个控制算法并且执行计算和逻辑功能。控制单元30包括接口，所述接口用于连接例如由传感器和控制设备所生成的信号，并且用于连接在控制单元30中所生成的控制信号。所述控制算法例如基于所述信号而在任何给定时间产生预定的控制信号。控制单元30被提供有或可以被提供有用于控制控制单元30的操作的用户接口设备。控制单元30可以基于在控制程序或用户的控制下被操作的可编程逻辑或计算机。控制单元30可以包括一个或若干分离的设备，或者它可以构成分布式系统，所述分布式系统的不同部分或设备被彼此连接或彼此通信。
控制信号32取决于例如致动器22的速度、或者将在任何给定时间由阀设备38所实现的体积流量。在生成所述控制信号32方面，可以应用控制器、诸如PID控制器，其被实现在控制单元30中并且基于例如位置反馈、力反馈或速度反馈。对于控制，系统10可以包括传感器设备，所述传感器设备用于测量致动器22的速度并且用于将所述测量信号传输到控制单元30。
系统10还可以包括一个或多个控制设备24，所述控制设备24被连接到控制单元30，以用于控制系统10（例如其中的致动器22）的目的。控制设备24例如是手动可控的，在一个示例中是控制杆。所述控制杆由用户操作。控制设备24被配置成取决于控制设备24的位置（例如控制杆的倾斜）来生成设置信号50。所述设置信号50被输入在控制单元30中。
替换地，所述设置信号50可以利用输入设备来被输入，所述输入设备可以包括例如控制单元30或它的一部分、被连接到控制单元30的设备、或上述控制设备24。在控制单元30中，设置信号50可以手动地通过控制单元30的用户接口设备来被输入，或者它可以由软件通过运行用于影响致动器22速度的控制算法来被生成。
例如，控制设备24被用来控制致动器22的速度，使得致动器22的速度在控制设备24或控制杆的不同位置中不同。致动器22的所期望的速度与控制设备24或控制杆的位置成比例。控制单元30的控制算法被配置成基于设置信号50来控制阀设备38，使得实现致动器22的所期望的速度。
蓄压器26被连接到压力线40，所述蓄压器26可以从所述压力线40接收经加压的液压流体，并且所述蓄压器26给予所述压力线40经加压的液压流体。蓄压器26具有预定的有效体积，所述预定的有效体积基于其大小制定并且与例如在给定时间段内可以从蓄压器26被供给到压力线40的液压流体的最大量成比例。
蓄压器26可以是重量加载的蓄积器、弹簧加载的蓄积器、或优选地气体加载的蓄积器。所述气体加载的蓄积器的类型是气囊式蓄积器或隔膜蓄积器，或优选地活塞蓄积器。对于气体加载的蓄积器而言典型的是：被包含在其中的液压流体的压力随着所述液压流体的量减小而减小。
如果必要的话，基于以上提及的依赖性，蓄压器26中的液压流体的量可以通过如下来被估计：测量例如在蓄压器26被连接到的线（诸如压力线40）中的所述液压流体的压力。
为了装载，蓄压器26可以被供给有经加压的液压流体。蓄压器26被制定大小，例如以当液压线40的压力等于或大于预定最小压力的时候接收液压流体。气体加载的蓄积器的大小制定基于例如在蓄压器中所使用的气体的预装载压力。所述最小压力被选择成例如低于例如当负载48被致动器22移动的时候或当致动器22处于静息的时候在压力线40中占主导地位的压力。
压力线40可以被提供有传感器设备36，所述传感器设备36被配置成测量在压力线40中所包含的液压流体的压力。系统10还可以包括其它传感器设备，所述传感器设备测量液压流体的压力并且被连接到控制单元30，例如以用于测量压力线40中的压力。
传感器设备36生成测量信号16，所述测量信号16例如是电子的，所述测量信号16与所测量的压力成比例。所述信号例如是电流信号。传感器设备36被连接到控制单元30，以用于将测量信号16传输到控制单元30，其中测量信号16是对于控制算法的输入。
基于由传感器设备36所生成的测量信号16，可以通过测量压力线40中的压力来间接地测量蓄压器26中的液压流体的量。控制单元30被配置成根据例如蓄压器26的性质以及所述压力来推断蓄压器中的液压流体的量。在所述推断中，控制单元30可以考虑例如在蓄压器26中的气体的预装载压力中或体积中的已知改变行为、例如绝热改变。在蓄压器26中，气体的压力遵循液压流体的压力，所述液压流体的压力继而倾向于遵循压力线40中的压力，并且气体的体积继而取决于气体的压力。
在所提出的解决方案的替换方案中，系统10包括传感器设备34，所述传感器设备34被连接到蓄压器26并且被配置成直接或间接地测量蓄压器26中的液压流体的量。传感器设备34可以被配置成测量液压流体的量，其例如间接地基于蓄压器26的移动部分的所测量的位置，其取决于液压流体的量。所述部分可以是例如气囊式蓄积器的气囊、隔膜蓄积器的隔膜、或优选地活塞蓄积器的活塞。传感器设备34的操作可以基于无触摸的测量、线性传感器或线缆牵引设备。
传感器设备34生成测量信号28，所述测量信号28例如是电子的，所述测量信号28与蓄压器中的液压流体的量、或以上提及的所测量的位置成比例。所述信号例如是电流信号。传感器设备34被连接到控制单元30，以用于将测量信号28传输到控制单元30，其中测量信号28是对于控制算法的输入。传感器设备34或控制单元30及其控制算法可以推断蓄压器26中的液压流体的量，其与所述所测量的位置成比例。
利用传感器设备34，可以用简单的方式、当与压力测量以及气体行为有关的不确定性将被避免的时候实现精确的测量信号28。
蓄压器26和泵12被配置成同时经由压力线40和阀设备38来将液压流体供给到致动器22，以用于移动致动器22。如果必要，则液压流体的压力因而根据第一示例被制定大小成足以移动至少致动器22以及还有负载48。负载48的量值在不同的情形中可以不同或变化，由此，对于移动它所需要的力可变化。当致动器22和负载48停止的时候，压力可进一步增大直到针对压力线40所设置的最大值，并且蓄压器26可以被装载有经加压的液压流体。替换地，在致动器22和负载48的移动期间在压力中的足够增大时，蓄压器26可以被装载有经加压的液压流体。
由蓄压器26和泵12所产生的最大总体积流量将确定致动器22的最大速度，因为体积流量表示每时间单位流动的液压流体的量。在所提出的解决方案中，由泵12所产生的最大体积流量低于所述最大总体积流量。在示例中，由泵12所产生的最大体积流量是所述最大总体积流量的80%、60%、40%或20%，或更低。
致动器22的速度通过使用阀设备38而被控制成低于所述最大速度，所述阀设备38由通过控制单元30基于例如设置信号50所生成的控制信号32来控制。
蓄压器26可以处于如下状态中：在所述状态中，其中的液压流体的总量低于将从蓄压器26被供给到致动器22的液压流体的量，以用于在阀设备38以及例如设置信号50的控制下以所期望的速度将致动器22移动所期望的或预定的距离。
在所提出的解决方案中，由泵12所产生的最大体积流量被制定大小成低于将从压力线40被供给到致动器22的液压流体的体积流量，以用于以最大速度来移动致动器22。在示例中，由泵12所产生的最大体积流量被配置成生成所述最大速度的80%、60%、40%或20%，或更小。
系统10可处于上述情形中，在所述情形中，蓄压器26中的液压流体的总量对于致动器22的整个所期望的行进距离而言是不足够的。因而，在蓄压器26被耗尽时，致动器22的速度可以用突然并且不受控的方式从所期望的速度下降，在此之后，致动器22的移动将以取决于泵12所产生的体积流量的速度继续。
在所提出的解决方案中，目的是避免上述问题。
在所提出的解决方案中，在任何给定时间的蓄压器26中的液压流体的量由控制单元30、通过利用如上所述的传感器设备34和/或传感器设备36来监视。
控制单元30在控制算法的控制下被配置成将致动器22的最大速度限制到与蓄压器26中的液压流体的量成比例的最大值。因此，致动器22的速度可以被控制成仅仅具有这样的值或量值使得所述速度在其最高处等于或低于所述最大值。致动器22的速度由阀设备38和例如设置信号50来控制，如上所述。
因为所述限制仅仅基于蓄压器26中的液压流体的量，所以在控制方面实现简单的操作。
因此，当上述限制在使用中的时候，设置信号50不能用来将致动器22的速度调整至超过以上提及的最大值的值。控制单元30以这样的方式控制阀设备38使得由控制单元30和控制算法所生成的控制信号32现在不仅取决于设置信号50，而且还取决于蓄压器26中的液压流体的量。蓄压器26中的液压流体的量继而通过传感器设备34和/或传感器设备36来被测量。
如果系统10包括控制设备24，则控制设备24的预定位置将生成预定的设置信号50。因而，当上述限制在使用中的时候，控制设备24的给定位置将导致致动器22的这样的速度，其可低于从其中上述限制不在使用中的情形中的相同位置所产生的速度。在这样的情形中，控制设备24的用户将检测致动器22的减速，即使用户将不改变控制设备24的位置。
借助于上述限制，控制致动器22的速度的改变是可能的，由此，如上所述的速度中的突然和不受控的下降被避免。
由蓄压器26供给到致动器22的体积流量将取决于连接、压力线40和阀设备38的大小制定，诸如控制阀的标称大小。在上述方法中，当所述限制不在使用中的时候，阀设备38可以被控制使得液压流体的流量不受限制和/或其中一个或多个控制阀的（多个）流量开口是最大的。当所述限制将被考虑到使用中的时候，阀设备38被控制使得液压流体的流量受限制和/或使得其中一个或多个控制阀的（多个）流量开口变得较小。
根据所提出的解决方案的示例，控制单元30在控制算法的控制下被配置成以上述方式来限制致动器22的速度，其考虑蓄压器26中的液压流体的量、以及蓄压器26中的液压流体的压力。所述压力通过例如传感器设备36来被确定。
基于所述量和压力，控制单元30推断被存储在蓄压器26中的能量的量。蓄压器26基于可以在给定时间中并且以给定体积流速率而被供给的其经加压的液压流体的量来供给能量。目的是获得能量供给，其通过还限制致动器22的功率使得其速度同时以所期望的方式被限制。速度可以例如基于由致动器22所生成的力来被确定，所述力继而取决于致动器22的压力和大小制定。
因此，在所提出的解决方案的示例中，控制单元30在控制算法的控制下被配置成以上述方式来限制致动器22的速度，其考虑蓄压器26中液压流体的量、蓄压器26中液压流体的压力、以及由致动器22所生成的压力。当致动器的大小制定为已知的时候，所述力例如借助于传感器设备或所述压力来被限定。
在所提出的解决方案的示例中，控制单元30在通过控制算法的控制下被配置成将致动器22的最大速度限制到最大值，所述最大值在蓄压器26中的液压流体的量减小的时候减小；换言之，蓄压器26中的液压流体的量越低，它越低。
在所提出的解决方案的示例中，上述限制被应用为当蓄压器26中的液压流体的量已下降到等于或低于预定限制值的值的时候的方法。
在示例中，针对蓄压器26中的液压流体的量的所述预定限制值是蓄压器26的有用容量、或可从蓄压器26被供给的液压流体的最大量的3%、5%、10%、15%、20%或25%。
在示例中，并且除了已经在上面所描述的事物之外，控制单元30在控制算法的控制下被配置成将致动器22的最大速度（在其最低处）减小到如下最大值：所述最大值与泵12所产生的体积流量成比例、例如等于或低于泵12所产生的最大体积流量。
上述比例可以基于函数，所述函数基于蓄压器26中的液压流体的量，或鉴于在减小的液压流体的所述量，它线性地下降或遵循下降曲线的形状。
图2利用示例来图示了系统10中致动器22的速度v的控制，以及基于蓄压器26中的液压流体的量V而对为它所设置的最大速度vmax的确定。在图2的示例中，上述比例（参见范围Q1 +f(Q2)）是线性的；换言之，它基于函数。所述比例还可基于不是线性的函数。当液压流体的量V具有值Vx的时候，根据所提出的解决方案，可以推断：致动器22的速度v具有最大值vmax。因而，在这样的范围中，致动器22的这样的速度也是可允许的，其低于所设置的最大值。
在图2的示例中，还实现的是：上述限制被应用为当蓄压器22中的液压流体的量已减小到等于或低于预定限制值的水平的时候的方法。当限制不在使用中（参见范围Q1+Q2）的时候，在其最大值处将根据由泵12和蓄压器26相结合地所产生的总体积流量来确定最大速度值vmax。因而，在这样的范围中，致动器22的这样的速度也是可允许的，其低于所设置的最大值。
在图2的示例中，在蓄压器22中的液压流体的量已经充分减小或已用完之后，上述限制还被实现使得致动器22的最大速度在其最低处被减小到如下最大值：所述最大值与泵12所产生的最大体积流量成比例（参见范围Q1）。在此范围中，致动器22的这样的速度也是可允许的，其低于所设置的最大值。在此情况中，所述速度仅仅基于泵12所产生的体积流量。
在图2的示例中，符号Q1表示由泵12所产生的最大体积流量，并且符号Q2表示由蓄压器26所产生的并且被供给到致动器22的体积流量。
上述液压系统及其控制系统可以被应用在用于提升和/或移动负载的各种起重机中。为此，起重机可以被装备有吊杆，所述吊杆可以借助于回转机制而在横向方向上可枢轴转动。所述吊杆可以包括提举吊杆，其可以是能伸缩的。所述吊杆还可以包括转移吊杆，所述转移吊杆枢轴转动地连接到提举吊杆。所述转移吊杆可以是能伸缩的。上面提出的致动器22可以是致动器、特别是线性致动器，其用于移动吊杆、转移吊杆或提举吊杆，由此，以上提出的负载48可以是吊杆、转移吊杆或提举吊杆，其要么单独的要么结合由所述吊杆、转移吊杆或提举吊杆所承载的负载。上面提出的起重机和/或液压系统及其控制系统可以被应用在如下各种机器中：所述各种机器可以用于提举或移动负载并且可以是由用户所控制的自推进的机器。所述机器是林业机器，诸如运送机或伐木机、挖掘机、或运土机。所述机器可以包括诸如铲斗之类的器具，其被连接到用于移动所述器具的机制。上述致动器22可以是用于移动所述机制的致动器。
在上面的描述中，比例指的是在两个不同的变量、函数或因子之间的这样的比例，其可以借助于例如数学关系或函数来被表示。替换地或附加地，所述比例指的是在两个不同的变量、函数或因子之间的连接或相互依赖性，由此，一个变量、函数或因子的预定状态对应于其它变量、函数或因子的预定状态。以此方式，一个变量、函数或因子可以用来控制其它变量、函数或因子，以使得根据所提出的解决方案的系统以目标方式来操作。
所提出的解决方案不仅仅被限制到已经在以上被提出并且不应被视为解决方案的独有实施例的替换方案、示例和实施例。在所提出的解决方案中，相结合地应用以上所提出的替换方案、示例和实施例也是可能的，以用于实现以上所提出的目的。
将在所附权利要求中更详细地限定所提出的解决方案的实现方式。
