Настройка гидравлических сервоконтурных систем для оптимальной производительности

Нелинейные характеристики и динамика гидравлических сервосистем

Запаздывание давления, гистерезис клапана и сжимаемость жидкости в гидравлических сервосистемах

Для управления сервогидравлическими системами необходимо учитывать три типа нелинейного поведения. Во-первых, это задержка давления — время, необходимое гидравлическому исполнительному устройству для реакции на управляющие команды, подаваемые на клапан; это снижает динамическую точность. Во-вторых, гистерезис клапана — время, требуемое гидравлическому исполнительному устройству для стабилизации в новом заданном положении, — приводит к ошибкам повторяемости положения исполнительного устройства. В-третьих, сжимаемость рабочей жидкости (особенно воздуха, содержащегося в ней) вызывает запаздывание в работе системы, что может значительно снизить жёсткость гидравлической системы и, как следствие, точность перемещения исполнительного устройства. Эта проблема особенно остра при содержании воздуха в жидкости более чем на 1 %. Потеря жёсткости также может снизить точность воспроизведения движения, заданного исполнительным устройством. Применение соответствующего типа пропорционального клапана с надлежащей динамической реакцией в сочетании с правильной степенью удаления воздуха из жидкости позволяет в значительной степени снизить влияние этих факторов.

Динамические ограничения гидравлических систем: почему частоты среза лежат в диапазоне от 50 до 300 Гц

Определение частоты среза динамических характеристик гидравлических систем основано на инерции исполнительного устройства и сжимаемости рабочей жидкости. В гидравлических системах эффективное демпфирующее поведение системы дополнительно определяется модулем объёмной упругости жидкости и резонансной инерцией (то есть инерцией, обусловленной движущимися частями системы). Когда частота, используемая в гидравлической системе, превышает 300 Гц, ёмкость для удержания жидкости (обычно минерального масла с модулем объёмной упругости в диапазоне от 15 000 до 25 000 бар) начинает колебаться, что нарушает точность позиционирования системы. Такое поведение дополнительно определяется требованиями к динамическому отклику, а также потерей запасов по фазе и по усилению (как определено в стандарте ISO 10770-1). Именно поэтому большинство гидравлических исполнительных устройств работают на сравнительно низких частотах ниже 250 Гц

Практические стратегии настройки ПИД-регуляторов для сервогидравлических систем

Настройка по методу Циглера–Никольса или на основе модели с использованием реле на электрогидравлических исполнительных устройствах

При выборе методов настройки ПИД-регуляторов в нелинейных сервогидравлических системах возникают определённые компромиссы. Один из самых простых методов — метод Циглера–Николса, при котором пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты настраиваются до появления устойчивых равномерных колебаний. Хотя этот метод прост в реализации, он имеет ряд недостатков. В частности, он может вызвать неустойчивость в системах с высоким быстродействием и нарушить эксплуатационные ограничения вблизи собственной резонансной частоты. В отличие от него, модельный метод с реле предполагает введение в систему контролируемых колебаний для выявления и регистрации доминирующих резонансных мод, которые в гидравлических системах могут превышать 50 Гц, а затем определение стабилизирующего коэффициента усиления с использованием критерия Найквиста. Данный метод позволяет снизить перерегулирование в приложениях с клапанами, компенсирующими давление, чего не обеспечивает метод Циглера–Николса. Следует ожидать, что метод Циглера–Николса сократит время установления на 40 % по сравнению с методом Циглера–Николса для систем, резонирующих около 150 Гц.

Метод настройки: наиболее подходящий для обеспечения устойчивости; риск нестабильности; типичный коэффициент усиления полосы пропускания
Метод Циглера–Николса: для низкочастотных применений; высокий в резонансных зонах (≤150 Гц)
Модельно-ориентированный метод с реле: для высоко динамичных электрогидравлических систем; низкий при точном моделировании (200–300 Гц)

Когда настройка ПИД-регулятора не даёт результатов: выявление причин нестабильности в сервогидравлических системах с высоким коэффициентом усиления. Настройка ПИД-регулятора

Когда в системе присутствуют сжимаемость жидкости и гистерезис, ПИД-регуляторы неизбежно окажутся неэффективными. Избыточные значения коэффициента пропорционального звена приведут к увеличению времени «мёртвой зоны» заданного значения и вызовут предельные циклы с частотой выше 250 Гц. Изменения нагрузки на исполнительный механизм, возникающие при литье под давлением, приводят к смещению узла исполнительного механизма примерно на 0,5 мм и вызывают накопление интегральной составляющей управления. Это создаёт серьёзную проблему и требует применения адаптивного изменения коэффициентов регулирования (gain scheduling) или модификации самой системы. Клапаны с перекрытием более 15 % будут демонстрировать значительную временную задержку и вызывать неустойчивость. В этом случае потребуется компенсация силы трения в системе либо применение адаптивного управления порогом трения. Недавние исследования показали

Методы компенсации для повышения эффективности сервогидравлических систем

Прямое управление с компенсацией объёмного модуля и силы трения

Прямое управление не только повышает производительность, но и позволяет заранее компенсировать определённые нелинейности, в отличие от традиционных методов, основанных на обратной связи и сопровождающихся последующей потерей производительности. Модуль объёмной упругости может изменяться в пределах ±15 % в зависимости от температуры, что вызывает смещения жёсткости, обусловленные давлением рабочей жидкости, и в конечном итоге приводит к низкой точности позиционирования при выполнении высокоточных задач. Статическое трение, обусловленное утечками жидкости, также оценивается в пределах 20 % от полного сопротивления исполнительного механизма. Современные контроллеры могут быть спроектированы так, чтобы моделировать динамическое трение и динамическую сжимаемость жидкости и формировать корректирующее управляющее воздействие до возникновения ошибки. Такая двойная компенсация помогает избежать перерегулирования и сокращает время стабилизации машин для литья под давлением на 37 %, обеспечивая при этом поддержание тепловых переходных процессов с точностью управления в реальном времени на уровне микрон.

Размещение полюсов для максимизации демпфирования: проектирование на основе стандарта ISO 10770-1

При использовании методов размещения полюсов коэффициент демпфирования гидравлической сервосистемы поддерживается в диапазоне от 0,6 до 0,8 для предотвращения резонанса и неустойчивости. Это отличается от традиционных методов настройки, поскольку здесь применяется основанная на модели стратегия управления системой в области её собственной частоты. Размещение полюсов вдоль линии под углом 45° на s-плоскости позволило перевести систему из слабо затухающего диапазона (коэффициент демпфирования 0,3) в критически затухающий диапазон с использованием конструкции, соответствующей стандарту ISO 10770-1. Для этого был рассчитан гидравлический модуль жёсткости системы на основе геометрии цилиндра и свойств рабочей жидкости, построена карта характеристик расхода–давления управляющего клапана для определения предельных значений коэффициента усиления, а также скорректировано обратное связывание для сдвига полюсов ниже порога неустойчивости на частоте 300 Гц. В результате достигнуто впечатляющее снижение вибраций в станах горячей прокатки стали на 92 % при одновременном полном соответствии требованиям стандарта ISO 10770-1 к оценке динамической жёсткости.

Часто задаваемые вопросы

Что означает термин «запаздывание давления» в гидравлических сервосистемах?

При высокоскоростных операциях задержка срабатывания клапана и последующее запаздывание реакции цилиндра могут снизить общую динамическую точность системы.

Почему полоса пропускания гидравлических сервосистем находится в диапазоне 50–300 Гц?

Обычно инерция исполнительного устройства в сочетании с сжимаемостью рабочей жидкости вызывает резонанс, ограничивающий полосу пропускания. После входа в область неустойчивости возмущения начинают колебаться, что приводит к потере точности системы.

Каковы преимущества метода настройки реле на основе модели (MBRT) по сравнению с методом Циглера–Николса?

MBRT помогает определить различные резонансные моды системы, а также рассчитать запасы устойчивости по коэффициенту усиления. Это достигается при меньшем перерегулировании и улучшенном времени установления переходного процесса.

Каково влияние использования схемы управления с компенсацией по задающему воздействию?

При использовании схемы управления с прямой связью устраняются задержки и накопление ошибок, обусловленные обратной связью. Это приводит к улучшению характеристик системы за счёт снижения перерегулирования и времени установления.

Что означает размещение полюсов в гидравлических сервосистемах?

Это метод управления на основе модели, предназначенный для демпфирования собственных (и потенциально опасных) полюсов гидравлической сервосистемы с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик и целостности системы.