تنظیم حلقه‌های کنترل سروو هیدرولیکی برای عملکرد بهینه

ویژگی‌ها و رفتار غیرخطی سیستم‌های سروو هیدرولیکی

تأخیر فشار، هیسترزیس شیر و قابلیت فشردگی سیال در سیستم‌های سروو هیدرولیکی

برای کنترل سیستم‌های هیدرولیک سروو، باید با سه نوع رفتار غیرخطی سروکار داشت. اولاً، تأخیر فشار وجود دارد که زمان لازم برای پاسخ‌دهی اکچوئیتور هیدرولیک به دستورات کنترلی ارسال‌شده به شیر است و این امر دقت پویا را کاهش می‌دهد. علاوه‌براین، هیسترزیس شیر — یعنی زمان لازم برای رسیدن اکچوئیتور هیدرولیک به موقعیت جدید مورد نظر — خطاهای تکرارپذیری در موقعیت اکچوئیتور ایجاد می‌کند. در نهایت، قابلیت فشرده‌شدن سیال (به‌ویژه هوا) رفتار تأخیری به سیستم تحمیل می‌کند که می‌تواند سختی سیستم هیدرولیک و در نتیجه حرکت اکچوئیتور را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. این موضوع به‌ویژه زمانی مشکل‌ساز می‌شود که میزان هوا در سیال بیش از ۱٪ باشد. این کاهش سختی همچنین می‌تواند وفاداری حرکت مورد نظر توسط اکچوئیتور را کاهش دهد. با استفاده از نوع مناسب شیر تناسبی که پاسخ پویایی مناسبی داشته و با درجات مناسب تخلیه سیال تطبیق یافته باشد، این اثرات را می‌توان به‌طور گسترده‌ای کاهش داد.

محدودیت‌های دینامیکی سیستم‌های هیدرولیک: دلیل قرار گرفتن فرکانس‌های قطع بین ۵۰ تا ۳۰۰ هرتز

تعیین فرکانس قطع دینامیکی سیستم‌های هیدرولیک بر اساس اینرسی عملگر و میزان قابلیت فشرده‌شدن سیال‌ها انجام می‌شود. در سیستم‌های هیدرولیک، رفتار مؤثر میرایی سیستم علاوه بر این، توسط مدول حجمی سیال و اینرسی تشدید (که اینرسی ناشی از قسمت‌های متحرک سیستم است) تعیین می‌گردد. هنگامی که فرکانس به‌کاررفته در سیستم هیدرولیک از ۳۰۰ هرتز فراتر رود، محصورسازی سیال (که معمولاً روغن معدنی بوده و مدول حجمی آن بین ۱۵۰۰۰ تا ۲۵۰۰۰ بار است) شروع به نوسان کرده و باعث اختلال در موقعیت‌یابی دقیق سیستم می‌شود. این رفتار علاوه بر این، توسط الزامات پاسخ و افت حاشیه‌های فاز/بهره (همان‌طور که در استاندارد ISO 10770-1 تعریف شده است) نیز کنترل می‌شود. به همین دلیل اکثر عملگرهای هیدرولیک در فرکانس‌های نسبتاً پایین‌تر از ۲۵۰ هرتز کار می‌کنند.

استراتژی‌های عملی تنظیم PID برای سیستم‌های هیدرولیک سرو

زیگلر-نیکولز یا تنظیم رله مبتنی بر مدل در اکچوئتورهای الکتروهیدرولیک

هنگام بررسی روش‌های تنظیم کنترل‌کننده‌های PID در سیستم‌های هیدرولیک سروو غیرخطی، برخی تضادهای جبرانی پدیدار می‌شوند. ساده‌ترین روش، روش زیگلر-نیکولز است که شامل تنظیم ضرایب تناسبی، انتگرالی و مشتقی تا زمانی است که نوسانات یکنواخت پایدار ایجاد شوند. این روش اگرچه ساده است، اما دارای برخی معایب است. این روش ممکن است باعث ناپایداری در سیستم‌هایی با پاسخ بالا شود و قوانین خدماتی را در نزدیکی رesonans طبیعی تحت تأثیر قرار دهد. در مقابل، روش رله مبتنی بر مدل، شامل القای نوسانات کنترل‌شده به سیستم برای شناسایی و ثبت مد‌های غالب نوسانی می‌شود که در سیستم‌های هیدرولیکی می‌تواند بیش از ۵۰ هرتز باشد؛ سپس ضریب پایدارکننده با استفاده از معیار نایکوئیست تعیین می‌شود. این روش می‌تواند از اضافه‌گذر در کاربردهایی که از شیرهای جبران‌شده فشار استفاده می‌کنند، جلوگیری کند، برخلاف روش زیگلر-نیکولز. روش زیگلر-نیکولز می‌تواند زمان نشست را نسبت به خودِ روش زیگلر-نیکولز برای سیستم‌هایی که در محدودهٔ تقریبی ۱۵۰ هرتز نوسان می‌کنند، ۴۰٪ کاهش دهد.

روش تنظیم‌بندی: بهترین روش برای پایداری، خطر ناپایداری و محدوده پهنای باند معمولی به‌همراه بهره
زیگلر-نیکولز: برای کاربردهای فرکانس پایین، بهره بالا در مناطق تشدید (≤۱۵۰ هرتز)
رله مبتنی بر مدل: برای سیستم‌های الکتروهیدرولیک با دینامیک بالا، بهره پایین در صورت مدل‌سازی دقیق (۲۰۰–۳۰۰ هرتز)

زمانی که تنظیم PID شکست می‌خورد: شناسایی علل ناپایداری در سیستم‌های هیدرولیک سروو با بهره بالا — تنظیم PID

وقتی قابلیت فشردگی سیال و هیسترزیس در یک سیستم وجود داشته باشند، کنترل‌کننده‌های PID به‌طور اجتناب‌ناپذیری ناموفق خواهند بود. افزایش بیش‌ازحد بهره‌های عنصر کنترل تناسبی، زمان مرده نقطه تنظیم را افزایش داده و منجر به چرخه‌های محدود بالاتر از ۲۵۰ هرتز می‌شود. تغییرات بار عملگر که در فرآیند قالب‌گیری تزریقی رخ می‌دهند، منجر به جابه‌جایی مجموعه عملگر حدود ۰٫۵ میلی‌متر شده و باعث پیچیدگی (ویندآپ) کنترل انتگرالی می‌شوند. این امر یک مشکل جدی ایجاد کرده و ضرورت استفاده از برنامه‌ریزی بهره یا اصلاح سیستم را به‌همراه دارد. شیرهایی که بیش از ۱۵٪ همپوشانی دارند، تأخیر زمانی قابل‌توجهی نشان خواهند داد و منجر به ناپایداری می‌شوند. این امر لزوم استفاده از جبران اصطکاک در سیستم یا به‌کارگیری کنترل آستانه اصطکاک تطبیقی را ایجاد می‌کند. مطالعات اخیر نشان داده‌اند

روش‌های جبران‌سازی برای بهبود عملکرد سیستم‌های هیدرولیک سروو

کنترل پیش‌بین (فیدفرورد) با جبران‌سازی مدول حجمی و اصطکاک

کنترل پیش‌بینانه نه‌تنها عملکرد را بهبود می‌بخشد، بلکه امکان جبران پیش‌رو برخی غیرخطی‌بودن‌ها را فراهم می‌کند؛ در مقابل روش‌های سنتی که بر بازخورد متکی هستند و منجر به افت عملکرد می‌شوند. مدول حجمی ممکن است با تغییر دما در محدوده ±۱۵٪ تغییر کند که این امر باعث انتقال سختی وابسته به فشار سیال شده و در نهایت منجر به دقت پایین در تعیین موقعیت وظایف با دقت بالا می‌گردد. اصطکاک ایستای ناشی از نشت سیال نیز گزارش شده است که حدود ۲۰٪ مقاومت کلی فعال‌ساز (اکچویتور) را تشکیل می‌دهد. کنترل‌کننده‌های پیشرفته می‌توانند طوری طراحی شوند که اصطکاک دینامیکی سیال و قابلیت فشردگی دینامیکی سیال را مدل‌سازی کنند و ورودی کنترلی اصلاحی را پیش از ایجاد خطای واقعی ارائه دهند. این جبران دوگانه به جلوگیری از فراتررفتگی (اورشوت) کمک می‌کند و زمان لازم برای پایدارسازی دستگاه‌های قالب‌گیری تزریقی را ۳۷٪ کاهش می‌دهد، در حالی که نوسانات حرارتی را با دقت کنترل در زمان واقعی در مرتبه میکرون حفظ می‌کند.

قراردادن قطب‌ها برای بیشینه‌سازی میرایی: طراحی مبتنی بر استاندارد ISO 10770-1

در تکنیک‌های قراردهی قطب‌ها، نسبت میرایی سیستم سرووهیدرولیک در محدودهٔ ۰٫۶ تا ۰٫۸ حفظ می‌شود تا از پدیده‌های رزونانس و ناپایداری جلوگیری شود. این رویکرد با تکنیک‌های تنظیم سنتی متفاوت است، زیرا بر اساس یک روش مدل‌محور برای کنترل سیستم در ناحیهٔ فرکانس طبیعی آن عمل می‌کند. قراردهی قطب‌ها در امتداد زاویهٔ ۴۵ درجه در صفحهٔ s، سیستم را از محدودهٔ کم‌میرا (با نسبت میرایی ۰٫۳) به محدودهٔ بحرانی‌میرا تبدیل کرد؛ این امر با طراحی‌ای انجام شد که مطابق با استاندارد ISO 10770-1 بود. این فرآیند شامل محاسبهٔ سختی هیدرولیک سیستم بر اساس هندسهٔ سیلندر و سیال، نگاشت ویژگی‌های جریان-فشار شیر کنترلی برای تعیین محدوده‌های بهره، و تنظیم کنترل حلقهٔ بازخورد برای جابجایی قطب‌ها به‌پایین‌تر از آستانهٔ ناپایداری ۳۰۰ هرتز بود. نتیجهٔ این اقدام، کاهش چشمگیر ۹۲ درصدی ارتعاشات در غلتک‌های نورد فولاد بود، در حالی که همچنان انطباق کامل با استاندارد ISO 10770-1 و الزامات ارزیابی سختی دینامیکی حفظ شد.

سوالات متداول

عبارت «تاخیر فشار» در سیستم‌های سرو هیدرولیکی به چه معناست؟

در عملیات با سرعت بالا، فعال‌سازی شیر و سپس تاخیر در پاسخ سیلندر می‌تواند دقت پویای کل سیستم را کاهش دهد.

چرا عرض باند سیستم‌های سرو هیدرولیکی در محدوده ۵۰ تا ۳۰۰ هرتز است؟

معمولاً اینرسی اکتواتور در ترکیب با قابلیت فشرده‌شدن سیال، پدیده‌ی تشدیدی ایجاد می‌کند که عرض باند را محدود می‌سازد. پس از ورود به ناحیه‌ی ناپایداری، اختلالات شروع به نوسان می‌کنند و منجر به از دست رفتن دقت سیستم می‌شوند.

مزایای روش تنظیم رله مبتنی بر مدل (MBRT) در مقایسه با روش زیگلر-نیکولز چیست؟

MBRT به شناسایی مد‌های مختلف تشدید سیستم و همچنین محاسبه‌ی حاشیه‌های بهره‌ی پایدارکننده کمک می‌کند. این امر با نوسان کمتر و پاسخ بهبودیافته‌تر از نظر زمان نشستن قابل دستیابی است.

تأثیر استفاده از طرح کنترل پیش‌بین (Feedforward) چیست؟

زمان‌بندی و تجمع خطاهای ناشی از بازخورد هنگام استفاده از روش کنترل پیش‌رو حذف می‌شوند. این امر منجر به بهبود عملکرد سیستم با کاهش نوسان فراتر از مقدار مطلوب (overshoot) و زمان نشستن (settling time) می‌گردد.

قرار دادن قطب‌ها در سیستم‌های سرووهیدرولیک به چه معناست؟

این روشی مبتنی بر مدل است که برای تضعیف قطب‌های طبیعی (و احتمالاً خطرناک) یک سیستم سرووهیدرولیک به‌کار می‌رود تا عملکرد و یکپارچگی سیستم حفظ شود.