Ρύθμιση Υδραυλικών Βρόχων Ελέγχου Servo για Βέλτιστη Απόδοση

Μη γραμμικά Χαρακτηριστικά και Δυναμική Υδραυλικών Σερβοσυστημάτων

Καθυστέρηση πίεσης, υστέρηση βαλβίδας και συμπιεστότητα υγρού σε υδραυλικά σερβοσυστήματα

Για τον έλεγχο υδραυλικών σερβοσυστημάτων, πρέπει να ασχοληθείτε με τρεις τύπους μη γραμμικής συμπεριφοράς. Πρώτον, υπάρχει η καθυστέρηση πίεσης, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να ανταποκριθεί ο υδραυλικός ενεργοποιητής στις εντολές ελέγχου που δίνονται στη βαλβίδα, με αποτέλεσμα τη μείωση της δυναμικής ακρίβειας. Επιπλέον, η υστέρηση της βαλβίδας, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να σταθεροποιηθεί ο υδραυλικός ενεργοποιητής σε μια νέα επιθυμητή θέση, προκαλεί σφάλματα επαναληψιμότητας στη θέση του ενεργοποιητή. Τέλος, η συμπιεστότητα του υγρού (κυρίως του αέρα) εισάγει μια συμπεριφορά καθυστέρησης στο σύστημα, η οποία μπορεί να μειώσει σημαντικά την ακαμψία του υδραυλικού συστήματος και, κατά συνέπεια, την κίνηση του ενεργοποιητή. Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό όταν η περιεκτικότητα αέρα στο υγρό υπερβαίνει το 1%. Η απώλεια αυτής της ακαμψίας μπορεί επίσης να μειώσει την πιστότητα της κίνησης που επιθυμεί ο ενεργοποιητής. Χρησιμοποιώντας τον κατάλληλο τύπο αναλογικής βαλβίδας με ενδεδειγμένη δυναμική απόκριση, σε συνδυασμό με την κατάλληλη απομάκρυνση του υγρού, μπορούν να μειωθούν σημαντικά αυτά τα φαινόμενα.

Περιορισμοί δυναμικής των υδραυλικών συστημάτων: γιατί οι συχνότητες αποκοπής κυμαίνονται μεταξύ 50 και 300 Hz

Ο προσδιορισμός της συχνότητας αποκοπής δυναμικής των υδραυλικών συστημάτων βασίζεται στην αδράνεια του ενεργοποιητή και στο πόσο συμπιεστά είναι τα υγρά. Στα υδραυλικά συστήματα, η αποτελεσματική συμπεριφορά απόσβεσης του συστήματος καθορίζεται επιπλέον από το μέτρο ογκομετρικής ελαστικότητας (bulk modulus) του υγρού και από την αδράνεια συντονισμού (δηλαδή την αδράνεια που προκαλείται από τα κινούμενα μέρη του συστήματος). Όταν η συχνότητα που χρησιμοποιείται στο υδραυλικό σύστημα υπερβεί τα 300 Hz, η περιέκτευση του υγρού (η οποία είναι συνήθως μια ορυκτέλαιο με μέτρο ογκομετρικής ελαστικότητας μεταξύ 15.000 και 25.000 bar) αρχίζει να ταλαντώνεται και διαταράσσει την ακριβή θέση του συστήματος. Αυτή η συμπεριφορά καθορίζεται περαιτέρω από τις απαιτήσεις απόκρισης και την απώλεια των περιθωρίων φάσης/κέρδους (όπως ορίζονται στο πρότυπο ISO 10770-1). Γι’ αυτόν τον λόγο, οι περισσότεροι υδραυλικοί ενεργοποιητές λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές συχνότητες, κάτω των 250 Hz

Πρακτικές στρατηγικές ρύθμισης PID για υδραυλικά συστήματα servo

Ζιέγκλερ-Νίκολς ή ρύθμιση με βάση το μοντέλο με ρελέ σε ηλεκτροϋδραυλικούς ενεργοποιητές

Κατά την εξέταση μεθόδων ρύθμισης ελεγκτών PID σε μη γραμμικά υδραυλικά σερβοσυστήματα, προκύπτουν ορισμένες αντισταθμίσεις. Μία από τις απλούστερες μεθόδους είναι η μέθοδος Ziegler-Nichols, η οποία περιλαμβάνει τη ρύθμιση των αναλογικών, ολοκληρωτικών και διαφορικών κέρδους μέχρις ότου εμφανιστούν διαρκείς ομοιόμορφες ταλαντώσεις. Αυτή η μέθοδος, παρόλο που είναι απλή, συνεπάγεται ορισμένα μειονεκτήματα. Μπορεί να προκαλέσει αστάθεια σε συστήματα με υψηλή απόκριση και να επηρεάσει αρνητικά τους νόμους λειτουργίας κοντά στη φυσική συντονιστική συχνότητα. Αντιθέτως, η μέθοδος με βάση το μοντέλο και το ρελέ περιλαμβάνει την εισαγωγή ελεγχόμενων ταλαντώσεων στο σύστημα για τον προσδιορισμό και την καταγραφή των κυρίαρχων συντονιστικών τρόπων, οι οποίοι, σε υδραυλικά συστήματα, μπορούν να υπερβαίνουν τα 50 Hz, και στη συνέχεια τον προσδιορισμό του ευσταθοποιητικού κέρδους μέσω του κριτηρίου Nyquist. Αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει την υπερύψωση σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν βαλβίδες με αντιστάθμιση πίεσης, σε αντίθεση με τη μέθοδο Ziegler-Nichols. Η μέθοδος Ziegler-Nichols μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του χρόνου εγκαθίδρυσης κατά 40 % σε σύγκριση με τη μέθοδο Ziegler-Nichols για συστήματα που συντονίζονται περίπου στα 150 Hz.

Μέθοδος ρύθμισης Καλύτερη για τον κίνδυνο αστάθειας Τυπική εύροςς ζώνης κέρδους
Ziegler-Nichols Εφαρμογές χαμηλής συχνότητας Υψηλό στις ζώνες συντονισμού ≤150 Hz
Βασισμένη σε μοντέλο με ρελέ Υδραυλικά ηλεκτροϋδραυλικά υψηλής δυναμικής Χαμηλό με ακριβές μοντέλο 200–300 Hz

Όταν η ρύθμιση PID αποτυγχάνει: Αναγνώριση των αιτιών αστάθειας σε υδραυλικά σερβοσυστήματα υψηλού κέρδους – Ρύθμιση PID

Όταν η συμπιεστότητα του ρευστού και η υστέρηση είναι παρούσες σε ένα σύστημα, οι ελεγκτές PID θα αποτύχουν αναπόφευκτα. Υπερβολικά μεγάλες τιμές κέρδους στο αναλογικό στοιχείο ελέγχου θα αυξήσουν το χρόνο νεκρής ζώνης της τιμής ρύθμισης και θα οδηγήσουν σε κύκλους ορίου πάνω από 250 Hz. Οι μεταβολές του φορτίου του ενεργοποιητή που προκύπτουν κατά την ενσωμάτωση (injection molding) θα προκαλέσουν μετατόπιση της συναρμολόγησης του ενεργοποιητή κατά περίπου 0,5 mm και θα οδηγήσουν σε «windup» του ολοκληρωτικού ελέγχου. Αυτό αποτελεί σοβαρό πρόβλημα και καθιστά αναγκαία τη χρήση χρονοπρογραμματισμού κερδών (gain scheduling) ή την τροποποίηση του συστήματος. Βαλβίδες με επικάλυψη μεγαλύτερη του 15% θα εμφανίζουν σημαντική καθυστέρηση χρόνου και θα οδηγούν σε αστάθεια. Αυτό θα καθιστά αναγκαία τη χρήση αντιστάθμισης της τριβής στο σύστημα ή τη χρήση προσαρμοστικού ελέγχου κατωφλίου τριβής. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει

Τεχνικές Αντιστάθμισης για Βελτιωμένη Απόδοση Υδραυλικών Σερβοσυστημάτων

Προωθητικός Έλεγχος με Αντιστάθμιση του Όγκου Συμπιεστότητας (Bulk Modulus) και της Τριβής

Ο προωθητικός έλεγχος (feedforward control) δεν βελτιώνει μόνο την απόδοση, αλλά επιτρέπει επίσης προληπτική αντιστάθμιση ορισμένων μη γραμμικοτήτων, σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους που βασίζονται στον ανατροφοδοτικό έλεγχο (feedback) και στην επακόλουθη μείωση της απόδοσης. Ο όγκος του μέτρου ελαστικότητας (bulk modulus) μπορεί να μεταβάλλεται εντός εύρους ±15% με τη θερμοκρασία, γεγονός που προκαλεί μετατοπίσεις στην ακαμψία που εξαρτώνται από την πίεση του υγρού και, τελικά, κακή τοποθέτηση καθηκόντων υψηλής ακρίβειας. Αναφέρεται επίσης ότι η στατική τριβή λόγω διαρροής υγρού αντιστοιχεί σε ποσοστό 20% της συνολικής αντίστασης του ενεργού στοιχείου (actuator). Μπορούν να σχεδιαστούν προηγμένοι ελεγκτές που να προσομοιώνουν τη δυναμική τριβή του υγρού και τη δυναμική συμπιεστότητα του υγρού, παρέχοντας ένα διορθωτικό σήμα ελέγχου πριν από την εμφάνιση του σφάλματος. Αυτή η διπλή αντιστάθμιση βοηθά στην αποφυγή υπερύψωσης (overshoot) και μειώνει το χρόνο σταθεροποίησης των μηχανών χύτευσης με έγχυση κατά 37%, ενώ διατηρεί τις θερμικές μεταβάσεις με ακρίβεια ελέγχου σε πραγματικό χρόνο της τάξης των μικρομέτρων.

Τοποθέτηση Πόλων για Μεγιστοποίηση Απόσβεσης: Σχεδιασμός Βασισμένος στο Πρότυπο ISO 10770-1

Στις τεχνικές τοποθέτησης πόλων, ο λόγος απόσβεσης του υδραυλικού σερβοσυστήματος διατηρείται στο εύρος 0,6 έως 0,8 για να αποφευχθούν η συντονισμός και η αστάθεια. Αυτό διαφέρει από τις παραδοσιακές τεχνικές ρύθμισης, καθώς αποτελεί μια προσέγγιση βασισμένη σε μοντέλο για τον έλεγχο του συστήματος στην περιοχή της φυσικής του συχνότητας. Η τοποθέτηση των πόλων κατά μήκος της γωνίας 45° στο επίπεδο s μετέτρεψε το σύστημα από υποαποσβεσμένο (λόγος απόσβεσης 0,3) σε κρίσιμα αποσβεσμένο, χρησιμοποιώντας σχεδιασμό σύμφωνο με το πρότυπο ISO 10770-1. Αυτό περιελάμβανε τον υπολογισμό της υδραυλικής σκληρότητας του συστήματος με βάση τη γεωμετρία του κυλίνδρου και του υγρού, την απεικόνιση των χαρακτηριστικών ροής-πίεσης της βαλβίδας ελέγχου για τον προσδιορισμό των ορίων κέρδους και τη ρύθμιση του ελέγχου με ανάδραση για τη μετατόπιση των πόλων κάτω από το κατώφλι αστάθειας των 300 Hz. Το αποτέλεσμα ήταν μια εντυπωσιακή μείωση των ταλαντώσεων κατά 92% στα εργοστάσια κύλισης χάλυβα, ενώ παράλληλα επιτεύχθηκε πλήρης συμμόρφωση με το πρότυπο ISO 10770-1 όσον αφορά τις απαιτήσεις αξιολόγησης της δυναμικής σκληρότητας.

Συχνές Ερωτήσεις

Τι σημαίνει ο όρος «καθυστέρηση πίεσης» στα υδραυλικά σερβοσυστήματα;

Σε λειτουργίες υψηλής ταχύτητας, η καθυστέρηση ενεργοποίησης της βαλβίδας και η αντίστοιχη καθυστέρηση αντίδρασης του κυλίνδρου μπορούν να μειώσουν τη συνολική δυναμική ακρίβεια του συστήματος.

Γιατί οι εύρος ζώνης (bandwidths) των υδραυλικών σερβοσυστημάτων κυμαίνονται στο εύρος 50–300 Hz;

Συνήθως, η αδράνεια του ενεργοποιητή σε συνδυασμό με τη συμπιεστότητα του υγρού δημιουργεί μια συντονιστική συχνότητα που περιορίζει το εύρος ζώνης. Μόλις εισέλθει το σύστημα στη ζώνη αστάθειας, οι διαταραχές αρχίζουν να ταλαντώνονται, με αποτέλεσμα την απώλεια της ακρίβειας του συστήματος.

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα της μεθόδου προσαρμοστικής ρύθμισης με βάση το μοντέλο (MBRT) σε σύγκριση με τη μέθοδο Ziegler-Nichols;

Η MBRT βοηθά στον εντοπισμό των διαφορετικών συντονιστικών λειτουργιών του συστήματος, καθώς και στον υπολογισμό των περιθωρίων ευστάθειας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μικρότερη υπερύψωση και βελτιωμένη απόκριση όσον αφορά τον χρόνο απόσβεσης.

Ποια είναι η επίδραση της χρήσης ενός σχήματος ελέγχου με προκαθορισμένη είσοδο (feedforward);

Εξαλείφονται οι καθυστερήσεις και η συσσώρευση σφαλμάτων λόγω ανάδρασης όταν χρησιμοποιείται ένα σύστημα ελέγχου με προκαθορισμένη ενέργεια (feedforward). Αυτό οδηγεί σε βελτιωμένη απόδοση του συστήματος, με μειωμένη υπερύψωση και χρόνο εγκαθίδρυσης.

Τι σημαίνει η τοποθέτηση πόλων στα υδραυλικά σερβοσυστήματα;

Πρόκειται για μια μεθοδολογία ελέγχου βασισμένη σε μοντέλο, η οποία στοχεύει στην απόσβεση των φυσικών (και ενδεχομένως επικίνδυνων) πόλων ενός υδραυλικού σερβοσυστήματος, προκειμένου να διατηρηθούν η απόδοση και η ακεραιότητα του συστήματος.