EN
Niet-lineaire kenmerken en dynamiek van hydraulische servosystemen
Drukvertraging, klephysterese en samendrukbaarheid van vloeistof in servohydraulische systemen
Om servohydraulische systemen te besturen, moet u rekening houden met drie soorten niet-lineair gedrag. Ten eerste is er de drukvertraging, oftewel de tijd die de hydraulische actuator nodig heeft om te reageren op de aanstuurcommando’s die aan de klep worden gegeven; dit vermindert de dynamische precisie. Daarnaast veroorzaakt klephysterese — de tijd die de hydraulische actuator nodig heeft om zich te stabiliseren op een nieuwe gewenste positie — herhaalbaarheidsfouten in de positie van de actuator. Ten slotte leidt de samendrukbaarheid van de vloeistof (vooral lucht) tot een vertragend gedrag van het systeem, wat de stijfheid van het hydraulische systeem aanzienlijk kan verminderen en daardoor ook de beweging van de actuator. Dit is bijzonder problematisch wanneer de luchtgehalte in de vloeistof meer dan 1% bedraagt. Dit verlies aan stijfheid kan ook de nauwkeurigheid van de door de actuator gewenste beweging verminderen. Door het gebruik van het juiste type proportionele klep met een geschikte dynamische respons, gecombineerd met een adequate ontluchting van de vloeistof, kunnen deze effecten grotendeels worden verminderd.
Dynamische beperkingen van hydraulische systemen: waarom afsnijfrequenties liggen tussen 50 en 300 Hz
De bepaling van de afsnijfrequentie van de dynamiek van hydraulische systemen is gebaseerd op de traagheid van de actuator en de compressibiliteit van vloeistoffen. In hydraulische systemen wordt het effectieve dempinggedrag van het systeem bovendien bepaald door de volumemodulus van de vloeistof en de resonantietraagheid (dat wil zeggen de traagheid veroorzaakt door de bewegende onderdelen van het systeem). Wanneer de frequentie die in het hydraulische systeem wordt gebruikt hoger wordt dan 300 Hz, begint de vloeistofopslag (meestal minerale olie met een volumemodulus van 15.000 tot 25.000 bar) te trillen en verstoort dit de nauwkeurige positionering van het systeem. Dit gedrag wordt bovendien beheerst door de vereisten voor de respons en het verlies aan fase- en versterkingsmarges (zoals gedefinieerd in ISO 10770-1). Daarom werken de meeste hydraulische actuators bij redelijk lage frequenties van minder dan 250 Hz
Praktische PID-afstemstrategieën voor servohydraulische systemen
Ziegler-Nichols- of modelgebaseerde relaisafstemming op electro-hydraulische actuatoren
Bij het overwegen van methoden voor het afstemmen van PID-regelaars op niet-lineaire servohydraulische systemen ontstaan bepaalde afwegingen. Een van de eenvoudigste methoden is de methode van Ziegler-Nichols, waarbij de proportionele, integrale en afgeleide versterkingen worden afgestemd totdat duurzame, uniforme trillingen optreden. Deze methode is weliswaar eenvoudig, maar kent ook bepaalde nadelen. Zo kan deze methode instabiliteit veroorzaken in systemen met een hoge respons en kan zij de bedieningswetten in de buurt van de natuurlijke resonantie belasten. In tegenstelling thereto maakt de modelgebaseerde relaismethode gebruik van gecontroleerde trillingen die aan het systeem worden toegevoegd om de dominante resonantiemodi te bepalen en vast te leggen; bij hydraulische systemen kunnen deze boven de 50 Hz liggen. Vervolgens wordt de stabiliserende versterking bepaald aan de hand van het Nyquist-criterium. Deze methode kan overschrijdingen verminderen bij toepassingen met drukgecompenseerde kleppen, in tegenstelling tot de methode van Ziegler-Nichols. De methode van Ziegler-Nichols kan verwacht worden om de insteltijd met 40% te verminderen ten opzichte van de methode van Ziegler-Nichols bij systemen die resoneren rond de 150 Hz.
Afstemmethode Beste voor stabiliteit risico Typische bandbreedteversterking
Ziegler-Nichols Laagfrequentie-toepassingen Hoog in resonantiezones ≤150 Hz
Modelgebaseerde relais Hoog-dynamische elektro-hydraulische systemen Laag bij nauwkeurige modellering 200–300 Hz
Wanneer PID-afstemming mislukt: Oorzaken van instabiliteit herkennen in servo-hydraulische systemen met hoge versterking PID-afstemming
Wanneer vloeistofcompressibiliteit en hysteresis in een systeem aanwezig zijn, zullen PID-regelaars onvermijdelijk falen. Te hoge waarden voor de proportionele regelversterking verlengen de insteltijd van de streefwaarde en veroorzaken limietcycli boven 250 Hz. De wijzigingen in de actuatorbelasting die optreden bij spuitgieten leiden tot een verplaatsing van de actuatormontage van ongeveer 0,5 mm en resulteren in integratieve regelversterkingsopslag (windup). Dit vormt een ernstig probleem en vereist het gebruik van versterkingsplanning (gain scheduling) of aanpassing van het systeem. Kleppen met meer dan 15% overlap vertonen een aanzienlijke tijdvertraging en leiden tot instabiliteit. Dit vereist het gebruik van wrijvingscompensatie in het systeem of het toepassen van adaptieve wrijvingdrempelregeling. Recente studies hebben aangetoond
Compensatietechnieken voor betere prestaties van servohydraulische systemen
Voorwaartse regeling met compensatie van de volumemodulus en wrijving
Feedforward-regeling verbetert niet alleen de prestaties, maar maakt ook anticiperende compensatie mogelijk voor bepaalde niet-lineariteiten, in tegenstelling tot traditionele methoden die uitsluitend op terugkoppeling (feedback) zijn gebaseerd en die daardoor gepaard gaan met een vervolgende daling van de prestaties. De volumemodulus kan met maximaal ±15% variëren bij temperatuurwisselingen, wat leidt tot stijfheidsverschuivingen die afhankelijk zijn van de vloeistofdruk en uiteindelijk tot een slechte positionering bij hoge precisie-taken. Ook wordt aangegeven dat de statische wrijving door vloeistoflekkage ongeveer 20% bedraagt van de totale weerstand van de actuator. Geavanceerde regelaars kunnen worden ontworpen om zowel de dynamische vloeistofwrijving als de dynamische samendrukbaarheid van de vloeistof te modelleren en een correctieve regelingsingang te genereren voordat de fout optreedt. Deze dubbele compensatie helpt overschrijding (overshoot) te voorkomen en vermindert de stabilisatietijd van spuitgietmachines met 37%, terwijl thermische transiënten worden gehandhaafd met een real-time regelnauwkeurigheid in de orde van micrometers.
Poolplaatsing om demping te maximaliseren: een op ISO 10770-1 gebaseerd ontwerp
Bij poolplaatsingstechnieken wordt de dempingsverhouding van het hydraulische servosysteem gehandhaafd in het bereik van 0,6 tot 0,8 om resonantie en instabiliteit te voorkomen. Dit verschilt van traditionele afstemtechnieken, aangezien hier een op een model gebaseerde aanpak wordt gebruikt om het systeem te regelen in het gebied van zijn eigenfrequentie. Door de polen langs de 45°-hoek van het s-vlak te plaatsen, werd het systeem getransformeerd van een ondergedempt bereik van 0,3 naar een kritisch gedempt bereik, met behulp van een ontwerp dat voldoet aan ISO 10770-1. Dit omvatte het berekenen van de hydraulische stijfheid van het systeem op basis van de geometrie van de cilinder en de vloeistof, het in kaart brengen van de stroom-drukkenkarakteristieken van de regelklep om de versterkingsgrenzen te bepalen, en het aanpassen van de terugkoppeling om de polen onder de instabiliteitdrempel van 300 Hz te verplaatsen. Het resultaat was een indrukwekkende reductie van trillingen met 92% in staalwalsmills, terwijl het systeem nog steeds volledig voldoet aan ISO 10770-1, inclusief de vereisten voor evaluatie van dynamische stijfheid.
Veelgestelde Vragen
Wat betekent de term „drukvertraging” in hydraulische servosystemen?
Bij hoge snelheden kan de vertraging tussen klepbediening en cilinderreactie de algehele dynamische precisie van het systeem verminderen.
Waarom liggen de bandbreedten van hydraulische servosystemen in het bereik van 50–300 Hz?
Doorgaans zullen de traagheid van de actuator in combinatie met de samendrukbaarheid van de vloeistof een resonantie veroorzaken die de bandbreedte beperkt. Zodra het instabiliteitsgebied wordt binnengegaan, zullen storingen gaan oscilleren, wat leidt tot verlies van systeemnauwkeurigheid.
Wat zijn de voordelen van modelgebaseerde relaisafstemming (MBRT) ten opzichte van Ziegler-Nichols?
MBRT helpt bij het lokaliseren van de verschillende resonantiemodi van het systeem en bij het berekenen van de stabiliserende versterkingsmarges. Dit kan worden bereikt met een kleinere overschrijding en een verbeterde reactie in termen van insteltijd.
Wat is het effect van het gebruik van een feedforward-regelschema?
Tijdgerelateerde en cumulatieve fouten als gevolg van feedback worden geëlimineerd wanneer een feedforward-regelschema wordt gebruikt. Dit leidt tot verbeterde systeemprestaties met verminderde overschrijding en insteltijd.
Wat betekent poolplaatsing in hydraulische servosystemen?
Dit is een op een model gebaseerde regelmethode om de natuurlijke (en potentieel onveilige) polen van een hydraulisch servosysteem te dempen, teneinde de prestaties en de integriteit van het systeem te behouden.
