EN
Hydrauliikkaisten servojärjestelmien epälineaariset ominaisuudet ja dynamiikka
Paineviive, venttiilin hystereesi ja nesteen puristuvuus servohydrauliikka-järjestelmissä
Servohydrauliikkajärjestelmien ohjaamiseen liittyy kolme epälineaarista käyttäytymistä. Ensinnäkin paineen viive, joka on aika, jonka hydrauliikka-aktuaattori tarvitsee vastata venttiilille annettuihin ohjauskäskyihin, mikä heikentää dynaamista tarkkuutta. Lisäksi venttiilin hystereesi, joka on aika, jonka hydrauliikka-aktuaattori tarvitsee saavuttaakseen uuden halutun asennon, aiheuttaa toistettavuusvirheitä aktuaattorin sijainnissa. Lopuksi nesteen (erityisesti ilman) puristuvuus aiheuttaa järjestelmään viivekäyttäytymistä, mikä voi merkittävästi vähentää hydrauliikkajärjestelmän jäykkyyttä ja siten myös aktuaattorin liikettä. Tämä on erityisen ongelmallista, kun nesteen ilmapitoisuus ylittää 1 %. Tämä jäykkyysmenetys voi myös heikentää aktuaattorin haluttua liikkeen tarkkuutta. Oikean tyyppisen suhteellisen venttiilin käyttö, jolla on riittävä dynaaminen vastaus, yhdessä asianmukaisen nesteen poistamisen kanssa, voi vähentää näitä vaikutuksia huomattavasti.
Hydrauliikkajärjestelmien dynaamiset rajoitukset: miksi katkaisutaajuudet ovat välillä 50–300 Hz
Hydrauliikkajärjestelmien dynaamisen katkaisutaajuuden määrittäminen perustuu toimilaitteen hitaussuureen ja nesteiden puristuvuuteen. Hydrauliikkajärjestelmissä järjestelmän tehollinen vaimennuskäyttäytyminen määritellään lisäksi nesteen kokoonpuristuvuusmoduulin ja resonanssihitauden (eli järjestelmän liikkuvien osien aiheuttaman hitauden) perusteella. Kun hydrauliikkajärjestelmässä käytetty taajuus ylittää 300 Hz:n, nesteen säilytys (joka on tyypillisesti mineraaliöljyä ja jonka kokoonpuristuvuusmoduuli on välillä 15 000–25 000 bar) alkaa värähdellä ja häiritsee järjestelmän tarkkaa sijaintia. Tätä käyttäytymistä säätelevät lisäksi vastausvaatimukset sekä vaiheen ja voimakkuuden marginaalin menetys (kuten ISO 10770-1 -standardissa määritellään). Siksi useimmat hydrauliikkatyöntekijät toimivat kohtalaisen alhaisilla taajuuksilla, jotka ovat alle 250 Hz
Käytännöllisiä PID-säätöstrategioita servohydrauliikkajärjestelmiin
Ziegler–Nicholsin tai mallipohjainen releen säätö sähköhydraulisissa toimilaitteissa
PID-säätimien säätömenetelmien valinnassa epälineaarisissa servohydraulisissa järjestelmissä syntyy tiettyjä kompromisseja. Yksinkertaisin menetelmä on Ziegler–Nichols -menetelmä, jossa säädettävät suhteellinen, integraali- ja derivaattakertoimet asetetaan niin, että saavutetaan kestävät tasaiset värähtelyt. Vaikka tämä menetelmä on yksinkertainen, sillä on tiettyjä haittapuolia. Menetelmä voi aiheuttaa epävakauden korkean vastauksen järjestelmissä ja vaarantaa käyttörajat luonnollisen resonanssin läheisyydessä. Mallipohjainen rele-menetelmä puolestaan sisältää ohjattujen värähtelyjen injektoimisen järjestelmään, jotta voidaan määrittää ja havaita hallitsevat resonanssimoodit, jotka hydraulisissa järjestelmissä voivat olla yli 50 Hz:n taajuudella, ja sen jälkeen määrittää vakauttava vahvistus Nyquistin kriteerin perusteella. Tämä menetelmä voi vähentää ylitystä painekompensoitujen venttiilien käytössä, toisin kuin Ziegler–Nichols -menetelmä. Ziegler–Nichols -menetelmän odotetaan vähentävän asettumisaikaa 40 %:lla verrattuna Ziegler–Nichols -menetelmään järjestelmissä, joiden resonanssitaajuus on noin 150 Hz.
Säätömenetelmä Parhaiten soveltuu vakausriskeihin Tyypillinen kaistanleveysvoitto
Ziegler–Nichols Alhaisen taajuuden sovellukset Korkea resonanssivyöhykkeillä ≤150 Hz
Mallipohjainen relekorkean dynamiikan sähköhydrauliikkaan Alhainen tarkalla mallinnuksella 200–300 Hz
Kun PID-säätö epäonnistuu: Epävakauden syiden tunnistaminen korkean vahvistuksen servohydraulisissa järjestelmissä PID-säätö
Kun järjestelmässä esiintyy nesteen puristuvuutta ja hystereesiä, PID-säätimet epäonnistuvat välttämättä. Liian suuret voimakkuudet suhteellisessa säätöelementissä lisäävät asetusarvon kuollutta aikaa ja aiheuttavat raja-alueita yli 250 Hz:n taajuudella. Ruiskuvalussa tapahtuvat toimilaitteen kuorman muutokset aiheuttavat noin 0,5 mm:n siirtymän toimilaitteiston kokoonpanossa ja johtavat integraalisäädön kertymään. Tämä aiheuttaa vakavan ongelman ja edellyttää joko voimakkuuden säätelyä (gain scheduling) tai järjestelmän muokkaamista. Yli 15 %:n päällekkäisyysalueen omaavat venttiilit näyttävät huomattavaa viivettä ja johtavat epävakauttaan. Tämä edellyttää järjestelmään kitkan kompensointia tai sopeutuvan kitkakynnysten säädön käyttöönottoa. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet
Korjaustekniikat servohydrauliikkajärjestelmien suorituskyvyn parantamiseksi
Etukäteissäätö ohjaus tilavuusmoduulin ja kitkan kompensoinnilla
Etukäteinen säätö ei ainoastaan paranna suorituskykyä, vaan mahdollistaa myös ennakoivan korjauksen tietyille epälineaarisuuksille, toisin kuin perinteiset takaisinkytkentään perustuvat menetelmät, jotka johtavat suorituskyvyn heikkenemiseen. Puristusmoduuli voi vaihdella ±15 %:n alueella lämpötilan mukaan, mikä aiheuttaa nestepaineesta riippuvaisia jäykkyysmuutoksia ja lopulta huonon tarkkuuden korkean tarkkuuden tehtävissä sijainnin määrittämisessä. Nestehäviön staattinen kitka on myös arvioitu olevan noin 20 % koko aktuaattorin vastuksesta. Edistyneitä säätimiä voidaan suunnitella mallintamaan nesteen dynaaminen kitka ja nesteen dynaaminen puristuvuus sekä antamaan korjaava säätösignaali ennen virheen syntymistä. Tämä kaksinkertainen kompensointi auttaa välttämään ylitystä ja vähentää muovipuhalluskoneiden vakauttamiseen tarvittavaa aikaa 37 %:lla, samalla kun lämpötilan äkillisiä muutoksia hallitaan reaaliajassa mikrometrin tarkkuudella.
Napojen sijoittaminen vaimennuksen maksimoimiseksi: ISO 10770-1 -perusteinen suunnittelu
Napapaikannustekniikoissa hydraulisen servojärjestelmän vaimennussuhde pidetään välillä 0,6–0,8 värähtelyn ja epävakauden välttämiseksi. Tämä eroaa perinteisistä säätötekniikoista, koska tässä käytetään mallipohjaista lähestymistapaa järjestelmän ohjaukseen sen luontaisten taajuuksien alueella. Napojen sijoittaminen s-tason 45° kulmaan muunti järjestelmän alivaimennetusta alueesta (vaimennussuhde 0,3) kriittisesti vaimennettuun alueeseen ISO 10770-1 -vaatimusten mukaisella suunnittelulla. Tähän kuului järjestelmän hydraulisen jäykkyysarvon laskeminen sylinterin ja nesteen geometrian perusteella, ohjausventtiilin virtaus-paine-ominaisuuksien kartoittaminen voimakkuusrajojen määrittämiseksi sekä takaisinkytkentäohjauksen säätäminen napojen siirtämiseksi alle 300 Hz:n epävakauskynnysta. Tuloksena oli merkittävä 92 %:n vähentäminen värinöissä teräsvalssiteollisuudessa, samalla kun dynaamisen jäykkyyden arviointivaatimukset täyttyivät täysin ISO 10770-1 -standardin mukaisesti.
Usein kysytyt kysymykset
Mitä termi „paineen viive“ tarkoittaa hydraulisissa servojärjestelmissä?
Korkean nopeuden toiminnassa venttiilin toiminta ja sen jälkeinen sylinterin vastauksen viive voivat vähentää järjestelmän kokonaismittaista dynaamista tarkkuutta.
Miksi hydraulisten servojärjestelmien kaistanleveys on 50–300 Hz:n alueella?
Tyypillisesti aktuaattorin hitaus yhdessä nesteen puristuvuuden kanssa aiheuttaa resonanssin, joka rajoittaa kaistanleveyttä. Kun epävakausalueeseen tullaan, häiriöt alkavat värähtelemaan, mikä johtaa järjestelmän tarkkuuden menetykseen.
Mitkä ovat mallipohjaisen releensäätömenetelmän (MBRT) edut Ziegler–Nichols -menetelmään verrattuna?
MBRT auttaa paikantamaan järjestelmän eri resonanssimoodit sekä laskemaan vakauttavat vahvistusvarat. Tämä voidaan saavuttaa pienemmällä ylityksellä ja parannetulla vasteella, mitä tulee asettumisaikaan.
Mikä on eteenpäin ohjaavan ohjausjärjestelmän vaikutus?
Aikaviiveet ja virheiden kertyminen takaisinkytkennän vuoksi poistuvat, kun käytetään eteenpäin kytkettyä ohjausjärjestelmää. Tämä johtaa parantuneeseen järjestelmän suorituskykyyn, pienentäen ylitystä ja asettumisaikaa.
Mitä napa-asennus tarkoittaa hydraulisissa servojärjestelmissä?
Tämä on mallipohjainen ohjausmenetelmä, jolla vaimennetaan hydraulisen servojärjestelmän luonnollisia (ja mahdollisesti vaarallisia) napoja, jotta järjestelmän suorituskyky ja eheys säilyvät.
