EN
Ikke-lineære egenskaper og dynamikk i hydrauliske servosystemer
Trykkforsinkelse, ventilhysterese og væskesammensprekkbarhet i servohydrauliske systemer
For å styre servohydrauliske systemer må du håndtere tre typer ikke-lineære oppførsel. For det første er det trykkforsinkelse, som er tiden det tar før den hydrauliske aktuatoren reagerer på styringskommandoer som gis til ventilen, noe som reduserer dynamisk nøyaktighet. I tillegg gir ventilhysterese, som er tiden det tar før den hydrauliske aktuatoren stabiliserer seg i en ny ønsket posisjon, gjentagbarhetsfeil i aktuatorens posisjon. Til slutt fører væskens (spesielt luftens) kompressibilitet til en forsinkelsesoppførsel i systemet, noe som kan redusere stivheten i det hydrauliske systemet betydelig og dermed også aktuatorens bevegelse. Dette er spesielt problematisk når luftinnholdet i væsken overstiger 1 %. Denne stivhetstapet kan også redusere troverdigheten til den bevegelsen som aktuatoren skal utføre. Ved å bruke riktig type proporsjonalventil med tilpasset dynamisk respons, kombinert med riktig grad av væskeutslipp, kan disse effektene i stor grad reduseres.
Dynamiske begrensninger for hydrauliske systemer: hvorfor avkappingsfrekvensene ligger mellom 50 og 300 Hz
Bestemmelsen av avkappingsfrekvensen for dynamikken i hydrauliske systemer bygger på aktuatorens treghet og hvor kompressibelt væskene er. I hydrauliske systemer bestemmes den effektive dempningsoppførselen videre av væskens bulkmodul og resonanstregheten (altså tregheten forårsaket av de bevegelige delene i systemet). Når frekvensen som brukes i det hydrauliske systemet overstiger 300 Hz, begynner væskebeholderen (som vanligvis er et mineralolje med en bulkmodul på 15 000–25 000 bar) å svinge, noe som forstyrrer nøyaktig posisjonering av systemet. Denne oppførselen styres ytterligere av krav til respons og tap av fase-/forsterkningsmarginer (som definert i ISO 10770-1). Derfor fungerer de fleste hydrauliske aktuatorer ved rimelig lave frekvenser under 250 Hz
Praktiske strategier for PID-tilpasning i servohydrauliske systemer
Ziegler-Nichols- eller modellbasert reléavstemming på elektrohydrauliske aktuatorer
Når man vurderer metoder for tilpasning av PID-reguleringssystemer på ikke-lineære servohydrauliske systemer, oppstår visse avveininger. En av de enkleste metodene er Ziegler-Nichols-metoden, som innebär justering av proporsjonal-, integral- og derivativ-forsterkningene inntil vedvarende jevne svingninger oppstår. Denne metoden, selv om den er enkel, har visse ulemper knyttet til seg. Metoden kan føre til ustabilitet i systemer med høy respons og påvirke driftslovene nær den naturlige resonansen. I motsetning til dette involverer den modellbaserte relémetoden innføring av kontrollerte svingninger i systemet for å identifisere og fange opp de dominerende resonansmodene, som i hydrauliske systemer kan ligge over 50 Hz, og deretter bestemme stabiliserende forsterkning ved hjelp av Nyquist-kriteriet. Denne metoden kan redusere oversving i applikasjoner som involverer trykkkompenserte ventiler, i motsetning til Ziegler-Nichols-metoden. Ziegler-Nichols-metoden kan forventes å redusere innstillingstiden med 40 % sammenlignet med Ziegler-Nichols-metoden for systemer som resonnerer rundt 150 Hz.
Tilpassingsmetode Beste for stabilitetsrisiko Typisk båndbreddeforsterkning
Ziegler-Nichols Lavfrekvensapplikasjoner Høy i resonanssoner ≤150 Hz
Modellbasert relé Høydynamiske elektrohydrauliske systemer Lav ved nøyaktig modellering 200–300 Hz
Når PID-tilpasning mislykkes: Å kjenne igjen årsaker til ustabilitet i servohydrauliske systemer med høy forsterkning PID-tilpasning
Når væskekompressibilitet og hystereseeffekter er til stede i et system, vil PID-reguleringer uunngåelig mislykkes. For store forsterkningsverdier i den proporsjonale reguleringsdelen vil øke dødtiden til referanseverdien og føre til begrensningssykluser over 250 Hz. Endringene i aktuatorbelastningen som oppstår ved injeksjonsformning vil føre til en forskyvning av aktuatoranordningen på ca. 0,5 mm og vil føre til integrerende reguleringsoverløp. Dette utgjør et alvorlig problem og krever bruk av forsterkningsplanlegging eller modifikasjon av systemet. Ventiler med mer enn 15 % overlapp vil vise en betydelig tidsforsinkelse og føre til ustabilitet. Dette vil kreve bruk av friksjonskompensasjon i systemet eller bruk av adaptiv friksjonsgrensekontroll. Nyere studier har vist
Kompensasjonsteknikker for bedre ytelse av servohydrauliske systemer
Foroverregulering med kompensasjon for bulkmodul og friksjon
Foroverkoblingsstyring forbedrer ikke bare ytelsen, men tillater også forutgående kompensasjon for visse ikke-lineariteter, i motsetning til tradisjonelle metoder som er avhengige av tilbakekobling og som dermed fører til en etterfølgende ytelsesnedgang. Bulkmodulen kan variere med opptil ±15 % med temperaturen, noe som fører til stivhetsendringer som avhenger av væsketrykket og til slutt dårlig nøyaktighet ved presisjonsoppgaver. Statisk friksjon fra væskelekkasje anslås også å utgjøre ca. 20 % av den totale aktuatorfriksjonen. Avanserte regulatorer kan utformes for å modellere væskedynamisk friksjon og væskedynamisk kompressibilitet, og gi en korrektiv styresignal innen feilen oppstår. Denne dobbelte kompensasjonen hjelper med å unngå oversving og reduserer stabiliseringstiden for injeksjonsmoldemaskiner med 37 %, samtidig som termiske transienter opprettholdes med sanntidsstyringsnøyaktighet på mikronivå.
Polplassering for maksimal demping: En designbasert på ISO 10770-1
Ved bruk av polplasseringsteknikker opprettholdes dempningsforholdet til det hydrauliske servosystemet i området 0,6–0,8 for å unngå resonans og ustabilitet. Dette skiller seg fra tradisjonelle innstillingsteknikker, da det her brukes en modellbasert tilnærming for å regulere systemet i området rundt dets egenfrekvens. Ved plassering av polene langs 45°-vinkelen i s-planet ble systemet overført fra et underdempet område (dempningsforhold 0,3) til et kritisk dempet område ved hjelp av en designløsning som er i samsvar med ISO 10770-1. Dette innebar beregning av systemets hydrauliske stivhet basert på sylindergemetri og væskeegenskaper, kartlegging av strømnings-trykk-karakteristikken til kontrollventilen for å fastsette forsterkningsgrenser samt justering av tilbakekoplingsreguleringen for å flytte polene under ustabilitetsgrensen på 300 Hz. Resultatet var en imponerende reduksjon i vibrasjoner på 92 % i stålvalsverk, samtidig som kravene til dynamisk stivhet i henhold til ISO 10770-1 fortsatt ble fullt oppfylt.
Ofte stilte spørsmål
Hva betyr uttrykket «trykkforsinkelse» i hydrauliske servosystemer?
Ved høyhastighetsdrift kan ventilstyring etterfulgt av en forsinket respons i sylindern redusere den totale dynamiske nøyaktigheten til systemet.
Hvorfor ligger båndbredden til hydrauliske servosystemer i området 50–300 Hz?
Vanligvis vil aktuatorinertien i kombinasjon med væskens kompressibilitet skape en resonans som begrenser båndbredden. Når ustabilitetsområdet blir nådd, vil forstyrrelser begynne å svinge, noe som fører til tap av systemnøyaktighet.
Hva er fordelene med modellbasert reléavstemming (MBRT) sammenlignet med Ziegler-Nichols-metoden?
MBRT hjelper til å identifisere de ulike resonansmodene i systemet og beregne stabilitetsgaranterende forsterkningsmarginer. Dette kan oppnås med mindre oversving og forbedret respons når det gjelder innstillingstid.
Hva er virkningen av å bruke en foroverreguleringskontrollstrategi?
Tidsforsinkelse og feilakkumulering forårsaket av tilbakekobling elimineres når en foroverkoblingsstyringsstrategi brukes. Dette fører til forbedret systemytelse med redusert oversving og innstillingstid.
Hva betyr polplassering i hydrauliske servosystemer?
Dette er en modellbasert styringsmetode for å dempe de naturlige (og potensielt farlige) polene i et hydraulisk servosystem for å opprettholde ytelse og systemintegritet.
