EN
Ikke-lineære karakteristika og dynamik i hydrauliske servosystemer
Trykforsinkelse, ventilhysteresis og væskekompressibilitet i servo-hydrauliske systemer
For at styre servohydrauliske systemer skal du arbejde med tre typer ikke-lineære opførsler. For det første er der trykforsinkelse, som er den tid, det tager for den hydrauliske aktuator at reagere på styrekommmandoer, der gives til ventilen, hvilket reducerer den dynamiske præcision. Desuden giver ventilhysteresen – altså den tid, det tager for den hydrauliske aktuator at stabilisere sig i en ny ønsket position – gentagelsesfejl i aktuatorens position. Endelig introducerer væskens (især luftens) kompressibilitet en forsinkelsesopførsel i systemet, hvilket kan reducere stivheden i det hydrauliske system betydeligt og dermed også aktuatorens bevægelse. Dette er især problematisk, når luftindholdet i væsken overstiger 1 %. Denne stivhedsreduktion kan også mindske troværdigheden af den bevægelse, som aktuatoreren ønsker at udføre. Ved at anvende den rigtige type proportionalventil med en passende dynamisk respons kombineret med korrekt grad af væskeudtømning kan disse effekter i stor udstrækning reduceres.
Dynamiske begrænsninger for hydrauliske systemer: hvorfor afkoblingsfrekvenserne ligger mellem 50 og 300 Hz
Bestemmelsen af afkoblingsfrekvensen for hydrauliske systemers dynamik er baseret på aktuatorernes inertimoment og på, hvor kompressibel væsken er. I hydrauliske systemer bestemmes den effektive dæmpningsadfærd yderligere af væskens bulkmodul og resonansinertien (som er inertien forårsaget af de bevægelige dele i systemet). Når frekvensen i det hydrauliske system overstiger 300 Hz, begynder væskebeholderen (som typisk indeholder et mineraloliebaseret væske med et bulkmodul på 15.000–25.000 bar) at svinge, hvilket forstyrrer systemets præcise positionering. Denne adfærd styres yderligere af kravene til systemrespons samt tab af fase-/forstærkningsmarginer (som defineret i ISO 10770-1). Derfor fungerer de fleste hydrauliske aktuatorer ved rimeligt lave frekvenser under 250 Hz
Praktiske strategier for PID-afstemning af servohydrauliske systemer
Ziegler-Nichols eller modelbaseret relæafstemning på elektro-hydrauliske aktuatorer
Når man overvejer metoder til afstemning af PID-reguleringssystemer på ikke-lineære servohydrauliske systemer, opstår der visse kompromiser. En af de simpleste metoder er Ziegler-Nichols-metoden, som indebærer justering af proportional-, integral- og differentialforstærkningerne, indtil der opnås vedvarende ensartede svingninger. Selvom denne metode er simpel, har den visse ulemper forbundet med sig. Metoden kan forårsage ustabilitet i systemer med høj respons og påvirke servicekravene nær den naturlige resonans. I modsætning hertil involverer den modelbaserede relæmetode indføring af kontrollerede svingninger i systemet for at bestemme og registrere de dominerende resonansmoder, som i hydrauliske systemer kan ligge over 50 Hz, og derefter bestemme den stabiliserende forstærkning via Nyquist-kriteriet. Denne metode kan mindske oversving i applikationer med trykkompensererede ventiler, i modsætning til Ziegler-Nichols-metoden. Det kan forventes, at Ziegler-Nichols-metoden reducerer indsvingningstiden med 40 % i forhold til Ziegler-Nichols-metoden for systemer, der resonerer omkring 150 Hz.
Tilpasningsmetode Bedst for stabilitetsrisiko Typisk båndbreddeforøgelse
Ziegler-Nichols Lavfrekvensanvendelser Høj i resonanszoner ≤150 Hz
Modelbaseret relæ Høj-dynamiske elektro-hydrauliske systemer Lav ved præcis modellering 200–300 Hz
Når PID-tilpasning mislykkes: Genkendelse af årsager til ustabilitet i servo-hydrauliske systemer med høj forøgelse
Når væskekompressibilitet og hysteresis er til stede i et system, vil PID-regulatorer uundgåeligt mislykkes. For store forstærkningsværdier i den proportionale reguleringsdel vil øge dødtiden for referenceværdien og resultere i grænsecykler over 250 Hz. Ændringer i aktuatorlasten, som optræder ved sprøjtestøbning, vil resultere i en forskydning af aktuatoranordningen på ca. 0,5 mm og vil føre til integrerende reguleringsopspænding. Dette udgør et alvorligt problem og kræver brug af forstærkningsplanlægning eller ændring af systemet. Ventiler med mere end 15 % overlap vil vise en betydelig tidsforsinkelse og resultere i ustabilitet. Dette kræver brug af friktionskompensation til systemet eller anvendelse af adaptiv friktionsgrænsekontrol. Nyere undersøgelser har vist
Kompensationsteknikker til bedre ydeevne for servohydrauliske systemer
Forudsigelsesregulering med kompensation for bulkmodul og friktion
Feedforward-styring forbedrer ikke kun ydelsen, men muliggør også forudgående kompensation for visse ikke-lineariteter i modsætning til traditionelle metoder, der bygger på feedback og den efterfølgende ydelsesnedgang. Bulkmodulen kan variere inden for et interval på ±15 % som funktion af temperaturen, hvilket medfører stivhedsændringer, der afhænger af væskepres, og endeligt dårlig placering ved højpræcisionsopgaver. Den statiske friktion som følge af væskeudtræden angives også at udgøre omkring 20 % af den samlede aktuatormodstand. Avancerede reguleringsenheder kan udformes til at modellere den dynamiske væskefriktion og den dynamiske væskekompressibilitet og give en korrektiv styresignalindgang før fejlen opstår. Denne dobbeltkompensation hjælper med at undgå oversving og reducerer den tid, der kræves til stabilisering af sprøjtestøbemaskiner, med 37 %, samtidig med at termiske transiente tilstande opretholdes med en realtidsstyringsnøjagtighed i størrelsesorden mikrometer.
Polplacering til maksimering af dæmpning: En designmetode baseret på ISO 10770-1
Ved brug af polplaceringsteknikker opretholdes dæmpningsforholdet for det hydrauliske servosystem inden for intervallet 0,6–0,8 for at undgå resonans og ustabilitet. Dette adskiller sig fra traditionelle afstemningsteknikker, da der her anvendes en modelbaseret tilgang til styring af systemet i området omkring dets egenfrekvens. Ved placering af poler langs 45°-vinklen i s-planen blev systemet transformeret fra et undertæmmet område med dæmpningsforhold på 0,3 til et kritisk tæmmet område ved hjælp af en designløsning, der overholder ISO 10770-1. Dette omfattede beregning af systemets hydrauliske stivhed ud fra cylinderens geometri og væsken, afbildning af styringsventilens strøm-tryk-karakteristik for at fastslå gevinstgrænser samt justering af tilbagemeldingsstyringen for at flytte polerne under ustabilitetsgrænsen på 300 Hz. Resultatet var en imponerende reduktion af vibrationer i stålvalsede ved 92 %, samtidig med at kravene til dynamisk stivhedsevaluering i henhold til ISO 10770-1 fuldt ud blev overholdt.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad betyder udtrykket «trykforsinkelse» i hydrauliske servosystemer?
Ved højhastighedsdrift kan ventilaktivering efterfulgt af forsinkelser i cylinderens respons mindske systemets samlede dynamiske præcision.
Hvorfor ligger båndbredden for hydrauliske servosystemer i området 50–300 Hz?
Typisk vil aktuatorinerti i kombination med væskens kompressibilitet skabe en resonans, der begrænser båndbredden. Når ustabilitetsområdet indtrædes, vil forstyrrelserne begynde at svinge, hvilket resulterer i tab af systemets nøjagtighed.
Hvad er fordelene ved modelbaseret relæafstemning (MBRT) i forhold til Ziegler-Nichols?
MBRT vil hjælpe med at identificere de forskellige resonansmodi i systemet samt beregne de stabiliserende gevinstmargener. Dette kan opnås med mindre oversving og forbedret respons med hensyn til indstilletid.
Hvad er virkningen af at anvende en feedforward-styringsstrategi?
Tidsbestemmelse og akkumulering af fejl som følge af feedback elimineres, når en feedforward-styringsstrategi anvendes. Dette resulterer i forbedret systemydelse med reduceret oversving og indstillingstid.
Hvad betyder polplacering i hydrauliske servosystemer?
Dette er en modelbaseret styringsmetode til at dæmpe de naturlige (og potentielt usikre) poler i et hydraulisk servosystem for at opretholde ydelse og systemintegritet.
