EN
Nemlineáris jellemzők és dinamikai viselkedés a hidraulikus szervorendszerekben
Nyomás késleltetése, szelep hiszterézise és folyadék összenyomhatósága a szervohidraulikus rendszerekben
A szervó-hidraulikus rendszerek vezérléséhez három típusú nemlineáris viselkedéssel kell foglalkozni. Először is megjelenik a nyomás késleltetése, azaz az idő, amely ahhoz szükséges, hogy a hidraulikus munkahenger reagáljon a szelepnek adott vezérlési parancsokra, ami csökkenti a dinamikus pontosságot. Ezen felül a szelep hiszterézise – azaz az idő, amely ahhoz szükséges, hogy a hidraulikus munkahenger stabilizálódjon egy új, kívánt helyzetben – ismétlődési hibákat okoz a munkahenger pozíciójában. Végül a folyadék (különösen a levegő) összenyomhatósága késleltetési jellegű viselkedést eredményez a rendszerben, ami jelentősen csökkentheti a hidraulikus rendszer merevségét, és ezáltal a munkahenger mozgását. Ez különösen problémás, ha a folyadékban a levegőtartalom meghaladja az 1%-ot. A merevség csökkenése továbbá csökkentheti a munkahenger által kívánt mozgás hűségét. A megfelelő típusú arányos szelep alkalmazásával – amelynek dinamikus válaszideje megfelelően illeszkedik a folyadék megfelelő mértékű eltávolításához – ezek a hatások jelentősen csökkenthetők.
A hidraulikus rendszerek dinamikai korlátozásai: miért esnek a vágási frekvenciák 50 és 300 Hz közé
A hidraulikus rendszerek dinamikai vágási frekvenciájának meghatározása az aktuátor tehetetlenségén és a folyadékok összenyomhatóságán alapul. A hidraulikus rendszerekben a rendszer hatékony csillapítási viselkedését továbbá a folyadék térfogati rugalmassági modulusa és a rezonancia-tehetetlenség határozza meg (ez utóbbi a rendszer mozgó részeinek okozta tehetetlenség). Amikor a hidraulikus rendszerben alkalmazott frekvencia meghaladja a 300 Hz-t, a folyadék tárolója (ami általában ásványolaj, és térfogati rugalmassági modulusa 15 000–25 000 bar között van) rezgésbe jön, és zavarja a rendszer pontos pozicionálását. Ezt a viselkedést továbbá a válaszidő-követelmények és a fázis-/erősítési tartalékok elvesztése szabályozza (az ISO 10770-1 szabvány szerint meghatározva). Ezért a legtöbb hidraulikus aktuátor viszonylag alacsony frekvencián, 250 Hz alatt működik.
Gyakorlatias PID-beállítási stratégiák szervohidraulikus rendszerekhez
Ziegler–Nichols-féle vagy modellalapú relés hangolás elektro-hidraulikus működtetőkön
Amikor nemlineáris szervohidraulikus rendszerek PID-szabályozóinak hangolási módszereit vizsgáljuk, bizonyos kompromisszumok merülnek fel. Az egyik legegyszerűbb módszer a Ziegler–Nichols-féle eljárás, amely során a proporciónális, integráló és deriváló erősítéseket addig változtatjuk, amíg fenntartott, egyenletes rezgések nem jelennek meg. Ez az eljárás, bár egyszerű, egyes hátrányokkal is jár. Így például instabilitást okozhat nagy válaszsebességű rendszerekben, és megtámadhatja a szolgáltatási törvényeket a természetes rezonancia közelében. Ellentétben ezzel a modellalapú relé-módszer olyan irányított rezgések bevezetését jelenti a rendszerbe, amelyek segítségével meghatározhatók és rögzíthetők a domináns rezonáló módusok – hidraulikus rendszerekben ezek akár 50 Hz feletti frekvenciákon is előfordulhatnak –, majd a Nyquist-kritérium alapján határozzák meg a stabilizáló erősítést. Ez az eljárás csökkentheti a túllendülést nyomáskiegyenlítő szelepeket tartalmazó alkalmazásokban, ellentétben a Ziegler–Nichols-módszerrel. A Ziegler–Nichols-módszerrel összehasonlítva a Ziegler–Nichols-módszer 40%-kal csökkentheti a beállási időt olyan rendszerek esetében, amelyek körülbelül 150 Hz-en rezegnek.
Hangolási módszer: Legjobb stabilitás-kockázat arány, tipikus sávszélesség-növekedés
Ziegler–Nichols-módszer: Alacsonyfrekvenciás alkalmazásokhoz, magas rezonancia-zónákban ≤150 Hz
Modellalapú relé-hangolás: Nagy dinamikájú elektro-hidraulikus rendszerekhez, alacsony instabilitási kockázat pontos modellezés esetén, 200–300 Hz
Amikor a PID-hangolás nem sikerül: A nagy erősítésű szervohidraulikus rendszerek instabilitásának okainak felismerése – PID-hangolás
Amikor egy rendszerben jelen van a folyadék összenyomhatósága és a hiszterézis, a PID-szabályozók elkerülhetetlenül sikertelenek lesznek. A proporciónális szabályozóelem túlzott erősítése növeli a beállított érték haladékidejét, és 250 Hz feletti határciklusokhoz vezet. Az adagolóformázás során fellépő működtető elem terhelésének változásai körülbelül 0,5 mm-es elmozdulást eredményeznek a működtető egység szerelvényén, és integráló szabályozási túlfutást okoznak. Ez komoly problémát jelent, és a nyereségütemezés vagy a rendszer módosításának alkalmazását teszi szükségessé. 15%-nál nagyobb átfedéssel rendelkező szelepek jelentős időkésleltetést mutatnak, és instabilitást eredményeznek. Ennek következtében a rendszer súrlódáskiegyenlítését vagy adaptív súrlódási küszöb-szabályozás alkalmazását kell megvalósítani. Legújabb tanulmányok kimutatták
Kompensációs technikák szervohidraulikus rendszerek jobb teljesítményének eléréséhez
Előrevezérelt szabályozás a térfogati modulus és a súrlódáskompensáció figyelembevételével
Az előrevezérelt szabályozás nemcsak a teljesítmény javítását teszi lehetővé, hanem lehetővé teszi az előrejelzés alapú kompenzációt bizonyos nemlinearitásokra is, ellentétben a hagyományos, visszacsatoláson alapuló módszerekkel, amelyek utólagos teljesítménycsökkenést eredményeznek. A térfogati rugalmassági modulus (bulk modulus) hőmérsékletfüggően ±15%-os tartományban változhat, ami folyadéknyomás-függő merevségeltolódást okoz, és végül rossz pontosságot eredményez magas pontosságú feladatok elvégzésekor. A folyadék szivárgásából adódó statikus súrlódás értéke szintén kb. a teljes működtető egység ellenállásának 20%-át teszi ki. Fejlett szabályozók tervezhetők úgy, hogy modellezik a folyadékdinamikai súrlódást és a folyadékdinamikai összenyomhatóságot, valamint korrekciós szabályozójelet biztosítanak a hiba bekövetkezte előtt. Ez a kettős kompenzáció segít elkerülni a túllendülést, és 37%-kal csökkenti az öntőgépek stabilizálásához szükséges időt, miközben a hőmérsékleti tranziensek valós idejű szabályozási pontossága mikrométeres nagyságrendben marad.
Póluselhelyezés a csillapítás maximalizálására: Az ISO 10770-1 szabvány alapján készült tervezés
A póluselhelyezési technikákban a hidraulikus szervorendszer csillapítási aránya 0,6–0,8 közötti értéken marad, hogy elkerüljék a rezonanciát és az instabilitást. Ez eltér a hagyományos hangolási technikáktól, mivel egy modellalapú megközelítést alkalmaznak a rendszer vezérlésére a sajátfrekvenciája tartományában. A pólusok elhelyezése az s-sík 45°-os szögében átalakította a rendszert az alulcsillapított (0,3) tartományból a kritikusan csillapított tartományba egy az ISO 10770-1 szabványnak megfelelő tervezés segítségével. Ennek részeként kiszámították a rendszer hidraulikus merevségét a henger és a folyadék geometriája alapján, leképezték a szabályozó szelep áramlási–nyomási jellemzőit a nyereséghatárok meghatározásához, valamint beállították a visszacsatolásos szabályozást annak érdekében, hogy a pólusokat a 300 Hz-es instabilitási küszöb alá helyezzék. Az eredmény egy lenyűgöző 92%-os rezgéscsökkenés volt acélhengerlő gyárakban, miközben teljes mértékben megmaradt az ISO 10770-1 szabványnak való megfelelés a dinamikus merevség értékelésére vonatkozó követelmények tekintetében.
Gyakran Ismételt Kérdések
Mit jelent a „nyomáskésés” kifejezés a hidraulikus szervorendszerekben?
Nagy sebességű működés esetén a szelep működtetését követő hengerre vonatkozó válaszidő-késés csökkentheti a rendszer általános dinamikus pontosságát.
Miért 50–300 Hz között van a hidraulikus szervorendszerek sávszélessége?
Általában az aktuátor tehetetlensége és a folyadék összenyomhatósága együtt rezonanciát eredményez, amely korlátozza a sávszélességet. Amint a rendszer belép az instabilitási tartományba, a zavarások oszcillálni kezdenek, ami a rendszer pontosságának elvesztéséhez vezet.
Milyen előnyökkel jár a modellalapú reléhangolás (MBRT) a Ziegler–Nichols-módszerrel szemben?
Az MBRT segít meghatározni a rendszer különböző rezonancia-módjait, valamint kiszámítani a stabilizáló erősítési határokat. Ez kisebb túllendüléssel és javított beállási időt figyelembe vevő válaszidővel érhető el.
Mi a hatása egy előrevezérelt szabályozási sémának?
A visszacsatolásból eredő hibák időzítése és felhalmozódása kiküszöbölésre kerül, ha előrevezérelt vezérlési rendszert alkalmaznak. Ennek eredményeként a rendszer teljesítménye javul, és csökken az átlendülés és a beállási idő.
Mit jelent a póluselhelyezés hidraulikus szervorendszerekben?
Ez egy modellalapú vezérlési módszer, amellyel a hidraulikus szervorendszer természetes (és potenciálisan veszélyes) pólusait csillapítják a teljesítmény és a rendszer integritásának fenntartása érdekében.
