EN
Características no lineales y dinámica de los sistemas hidráulicos de servocontrol
Retraso de presión, histéresis de la válvula y compresibilidad del fluido en los sistemas hidráulicos de servocontrol
Para controlar los sistemas hidráulicos servo, debe trabajar con tres tipos de comportamientos no lineales. En primer lugar, existe el retraso de presión, que es el tiempo que tarda el actuador hidráulico en responder a las órdenes de control enviadas a la válvula, lo que reduce la precisión dinámica. Además, la histéresis de la válvula, es decir, el tiempo que tarda el actuador hidráulico en estabilizarse en una nueva posición deseada, introduce errores de repetibilidad en la posición del actuador. Por último, la compresibilidad del fluido (especialmente del aire) introduce un comportamiento de retardo en el sistema, lo que puede reducir significativamente la rigidez del sistema hidráulico y, por ende, el movimiento del actuador. Esto resulta particularmente problemático cuando hay más del 1 % de aire en el fluido. Esta pérdida de rigidez también podría reducir la fidelidad del movimiento deseado por el actuador. Mediante el uso del tipo adecuado de válvula proporcional, con una respuesta dinámica apropiada y combinada con una evacuación adecuada del fluido, estos efectos pueden reducirse considerablemente.
Limitaciones dinámicas de los sistemas hidráulicos: por qué las frecuencias de corte se encuentran entre 50 y 300 Hz
La determinación de la frecuencia de corte dinámica de los sistemas hidráulicos se basa en la inercia del actuador y en la compresibilidad de los fluidos. En los sistemas hidráulicos, el comportamiento efectivo de amortiguamiento del sistema está determinado además por el módulo de elasticidad volumétrica del fluido y por la inercia de resonancia (es decir, la inercia provocada por las partes móviles del sistema). Cuando la frecuencia utilizada en el sistema hidráulico supera los 300 Hz, el fluido confinado (que normalmente es un aceite mineral con un módulo de elasticidad volumétrica comprendido entre 15 000 y 25 000 bar) comienza a oscilar y altera la posición precisa del sistema. Este comportamiento está regido además por los requisitos de respuesta y por la pérdida de márgenes de fase/ganancia (según se define en la norma ISO 10770-1). Por esta razón, la mayoría de los actuadores hidráulicos funcionan a frecuencias razonablemente bajas, inferiores a 250 Hz
Estrategias prácticas de ajuste PID para sistemas hidráulicos servo
Sintonización por Ziegler-Nichols o basada en modelo mediante relé en actuadores electrohidráulicos
Al considerar los métodos de ajuste de controladores PID en sistemas hidráulicos servo no lineales, surgen ciertos compromisos. Uno de los métodos más sencillos es el método de Ziegler-Nichols, que consiste en ajustar las ganancias proporcional, integral y derivativa hasta que se produzcan oscilaciones uniformes sostenidas. Este método, aunque simple, presenta ciertas desventajas. Puede inducir inestabilidad en sistemas con alta respuesta y afectar las leyes de servicio cerca de la resonancia natural. Por el contrario, el método basado en modelo con relé implica inyectar oscilaciones controladas al sistema para determinar y capturar los modos resonantes dominantes, los cuales, en sistemas hidráulicos, pueden superar los 50 Hz, y luego determinar la ganancia estabilizadora mediante el criterio de Nyquist. Este método puede reducir el sobreimpulso en aplicaciones que involucran válvulas compensadas por presión, a diferencia del método de Ziegler-Nichols. Se espera que el método de Ziegler-Nichols reduzca el tiempo de asentamiento en un 40 % en comparación con el método de Ziegler-Nichols para sistemas que resuenan alrededor de los 150 Hz.
Método de sintonización Mejor para el riesgo de estabilidad Ganancia de ancho de banda típica
Ziegler-Nichols Aplicaciones de baja frecuencia Alta en zonas de resonancia ≤150 Hz
Relé basado en modelo Electrohidráulica de alta dinámica Baja con modelado preciso 200–300 Hz
Cuando la sintonización PID falla: identificación de las causas de inestabilidad en sistemas hidráulicos servo con alto ganancia Sintonización PID
Cuando la compresibilidad del fluido y la histéresis están presentes en un sistema, los controladores PID inevitablemente resultarán ineficaces. Ganancias excesivas en el elemento de control proporcional aumentarán el tiempo muerto respecto al punto de consigna y provocarán ciclos límite por encima de 250 Hz. Los cambios en la carga del actuador que ocurren en el moldeo por inyección darán lugar a un desplazamiento del conjunto del actuador de aproximadamente 0,5 mm y causarán saturación de la acción integral. Esto representa un problema grave y requiere necesariamente el uso de programación de ganancias o la modificación del sistema. Las válvulas con una superposición superior al 15 % presentarán un retraso temporal considerable y provocarán inestabilidad. Esto exigirá la incorporación de una compensación de fricción al sistema o el uso de un control adaptativo del umbral de fricción. Estudios recientes han demostrado
Técnicas de compensación para mejorar el rendimiento de los sistemas hidráulicos servo
Control predictivo con compensación del módulo volumétrico y de la fricción
El control por anticipación no solo mejora el rendimiento, sino que también permite una compensación anticipatoria de ciertas no linealidades, a diferencia de las prácticas tradicionales basadas en retroalimentación, que conllevan una pérdida subsiguiente de rendimiento. El módulo volumétrico puede variar en un rango de ±15 % con la temperatura, lo que provoca desplazamientos de rigidez dependientes de la presión del fluido y, en última instancia, una ubicación deficiente de tareas de alta precisión. También se indica que la fricción estática debida a la fuga de fluido representa aproximadamente el 20 % de la resistencia total del actuador. Se pueden diseñar controladores avanzados capaces de modelar la fricción dinámica del fluido y la compresibilidad dinámica del fluido, y proporcionar una entrada de control correctiva antes de que ocurra el error. Esta doble compensación ayuda a evitar sobrecorrimientos y reduce en un 37 % el tiempo necesario para estabilizar las máquinas de inyección, manteniendo al mismo tiempo transitorios térmicos con una precisión de control en tiempo real del orden de los micrómetros.
Colocación de polos para maximizar el amortiguamiento: Diseño basado en la norma ISO 10770-1
En las técnicas de colocación de polos, la relación de amortiguamiento del sistema servo hidráulico se mantiene en el rango de 0,6 a 0,8 para evitar resonancia e inestabilidad. Esto difiere de las técnicas tradicionales de ajuste, ya que se trata de un enfoque basado en modelo para controlar el sistema en la zona de su frecuencia natural. La colocación de los polos a lo largo del ángulo de 45° en el plano s transformó al sistema desde un rango subamortiguado de 0,3 hasta un rango críticamente amortiguado, mediante un diseño conforme a la norma ISO 10770-1. Este proceso implicó calcular la rigidez hidráulica del sistema en función de la geometría del cilindro y del fluido, mapear las características de caudal-presión de la válvula de control para determinar los límites de ganancia y ajustar el control por retroalimentación con el fin de desplazar los polos por debajo del umbral de inestabilidad de 300 Hz. El resultado fue una impresionante reducción del 92 % en las vibraciones en laminadoras de acero, manteniendo al mismo tiempo la plena conformidad con la norma ISO 10770-1 respecto a los requisitos de evaluación de la rigidez dinámica.
Preguntas frecuentes
¿Qué significa el término «retardo de presión» en los sistemas hidráulicos de servocontrol?
En operaciones a alta velocidad, la activación de la válvula seguida de retardos de respuesta en el cilindro puede reducir la precisión dinámica global del sistema.
¿Por qué las bandas de paso de los sistemas hidráulicos de servocontrol se encuentran en el rango de 50–300 Hz?
Normalmente, la inercia del actuador, en combinación con la compresibilidad del fluido, generará una resonancia que limitará la banda de paso. Una vez que se ingresa en la región de inestabilidad, las perturbaciones comenzarán a oscilar, lo que provocará la pérdida de precisión del sistema.
¿Cuáles son las ventajas del ajuste por relé basado en modelo (MBRT) frente al método de Ziegler-Nichols?
El MBRT ayuda a identificar los distintos modos de resonancia del sistema y también a calcular los márgenes de ganancia estabilizadores. Esto se puede lograr con una sobreoscilación menor y una respuesta mejorada en términos de tiempo de asentamiento.
¿Cuál es el efecto de utilizar un esquema de control por anticipación (feedforward)?
La sincronización y la acumulación de errores debidos a la retroalimentación se eliminan cuando se utiliza un esquema de control por anticipación. Esto da como resultado un mejor rendimiento del sistema, con una menor sobreoscilación y un tiempo de asentamiento reducido.
¿Qué significa la colocación de polos en los sistemas hidráulicos de servo?
Se trata de un método de control basado en un modelo para amortiguar los polos naturales (y potencialmente inseguros) de un sistema hidráulico de servo, con el fin de mantener el rendimiento y la integridad del sistema.
