EN
Nelineárne charakteristiky a dynamika hydraulických servosystémov
Oneskorenie tlaku, hysteréza ventilu a stlačiteľnosť kvapaliny v hydraulických servosystémoch
Na riadenie servohydraulických systémov je potrebné pracovať s tromi typmi nelineárneho správania. Po prvé, ide o oneskorenie tlaku, čo je doba, ktorú hydraulický aktuátor potrebuje na reakciu na riadiace príkazy dané ventilu, čo zníži dynamickú presnosť. Okrem toho hystereza ventilu, teda doba, ktorú hydraulický aktuátor potrebuje na ustálenie sa do novej požadovanej polohy, spôsobuje chyby opakovateľnosti v polohe aktuátora. Napokon stlačiteľnosť kvapaliny (najmä vzduchu) spôsobuje oneskorenie v systéme, čo môže výrazne znížiť tuhosť hydraulického systému a tým aj pohyb aktuátora. Toto je obzvlášť problematické, ak obsahuje kvapalina viac ako 1 % vzduchu. Stratou tuhosti sa tiež môže znížiť vernosť pohybu, ktorý aktuátor má vykonať. Použitím vhodného typu proporcionálneho ventilu s primeranou dynamickou odpoveďou a zároveň správnym stupňom odvzdušnenia kvapaliny sa tieto účinky dajú výrazne znížiť.
Dynamické obmedzenia hydraulických systémov: prečo sú medzné frekvencie v rozsahu 50 až 300 Hz
Určenie medznej frekvencie dynamiky hydraulických systémov je založené na zotrvačnosti aktuátorov a stlačiteľnosti kvapalín. V hydraulických systémoch je efektívne tlmiace správanie systému ďalej určené objemovým modulom kvapaliny a rezonančnou zotrvačnosťou (t. j. zotrvačnosťou spôsobenou pohybujúcimi sa časťami systému). Keď frekvencia použitá v hydraulickom systéme presiahne 300 Hz, začne sa kvapalina v uzavretom priestore (ktorá je zvyčajne minerálny olej s objemovým modulom v rozsahu 15 000 až 25 000 bar) kmitať a narušovať presné polohovanie systému. Toto správanie je ďalej ovplyvnené požiadavkami na odpoveď systému a stratou fázových a zosilňovacích rezerv (ako je definované v norme ISO 10770-1). Preto väčšina hydraulických aktuátorov pracuje pri primerane nízkych frekvenciách pod 250 Hz
Praktické stratégie ladenia PID regulátorov pre servo-hydraulické systémy
Ziegler-Nichols alebo modelové ladenie pomocou relé na elektrohydraulických aktuátoroch
Pri zvažovaní metód ladenia regulátorov PID v nelineárnych servohydraulických systémoch vznikajú určité kompromisy. Jednou z najjednoduchších metód je metóda Zieglera-Nicholsa, pri ktorej sa postupne upravujú zosilnenia proporcionálnej, integračnej a derivačnej zložky, kým nedôjde k ustáleným rovnakým kmitaniam. Táto metóda, hoci jednoduchá, má niekoľko nevýhod. Môže spôsobiť nestabilitu systémov s vysokou rýchlosťou odozvy a porušiť prevádzkové pravidlá v blízkosti prirodzenej rezonancie. Naopak, modelová metóda s relé zahŕňa vstrekovanie riadených kmitaní do systému, aby sa určili a zachytili dominantné rezonančné módy, ktoré v hydraulických systémoch môžu byť vyššie ako 50 Hz, a následne sa pomocou Nyquistovho kritéria určí stabilizačné zosilnenie. Táto metóda dokáže znížiť prekmitanie v aplikáciách s tlakovými kompenzačnými ventilmi, na rozdiel od metódy Zieglera-Nicholsa. Metóda Zieglera-Nicholsa môže znížiť čas ustálenia o 40 % v porovnaní s metódou Zieglera-Nicholsa pre systémy rezonujúce približne pri 150 Hz.
Metóda ladenia Najvhodnejšia pre stabilitu Riziko nešability Typický zisk pásma prenosu
Ziegler-Nichols Nízkofrekvenčné aplikácie Vysoký v rezonančných zónach ≤150 Hz
Modelové ladenie pomocou relé Vysokodynamické elektrohydraulické systémy Nízky pri presnom modelovaní 200–300 Hz
Keď sa ladenie PID nepodarí: Rozpoznávanie príčin nestability v servo-hydraulických systémoch s vysokým zosilnením – Ladenie PID
Keď je v systéme prítomná stlačiteľnosť kvapaliny a hystereza, regulátory typu PID nevyhnutne zlyhajú. Príliš vysoké zosilnenie proporcionálnej regulačnej zložky zvýši mŕtvu dobu nastavenej hodnoty a spôsobí limitné cykly nad 250 Hz. Zmeny zaťaženia aktuátora, ktoré vznikajú pri vstrekovacom lisovaní, spôsobia posun montážneho celku aktuátora približne o 0,5 mm a viednu k nábehu integrálnej regulačnej zložky. Toto predstavuje vážny problém a vyžaduje použitie plánovania zosilnenia (gain scheduling) alebo úpravy systému. Ventily s prekrytím vyšším ako 15 % budú vykazovať výrazné oneskorenie a spôsobia nestabilitu. To bude vyžadovať použitie kompenzácie trenia v systéme alebo adaptívnej regulácie prahovej hodnoty trenia. Nedávne štúdie ukázali
Kompenzačné techniky na zlepšenie výkonu servohydraulických systémov
Prediktívna regulácia s kompenzáciou objemového modulu a trenia
Prediktívna regulácia nielen zvyšuje výkon, ale tiež umožňuje predbežnú kompenzáciu určitých nelinearít, na rozdiel od tradičných postupov, ktoré sa opierajú o spätnú väzbu a následnú stratou výkonu. Objemový modul sa môže v závislosti od teploty meniť v rozsahu ±15 %, čo spôsobuje závislosť tuhosti kvapaliny od tlaku a nakoniec zhoršenie presnosti polohy pri úlohách vysokej presnosti. Štatické trenie spôsobené únikom kvapaliny sa tiež uvádza ako približne 20 % od celkovej odporovej sily aktuátora. Pokročilé regulátory je možné navrhnúť tak, aby modelovali dynamické trenie kvapaliny a dynamickú stlačiteľnosť kvapaliny a poskytovali korekčný riadiaci vstup pred vznikom chyby. Táto dvojnásobná kompenzácia pomáha zabrániť prekmitaniu a skracuje dobu stabilizácie strojov na vstrekovanie plastov o 37 %, pričom zároveň udržiava tepelné prechody s reálnou presnosťou riadenia v poradí mikrónov.
Umiestnenie pólov za účelom maximalizácie tlmenia: Návrh založený na norme ISO 10770-1
Pri technikách umiestňovania pólov sa pomer tlmenia hydraulického servosystému udržiava v rozsahu od 0,6 do 0,8, aby sa predišlo rezonancii a nestabilitám. Toto sa líši od tradičných metód ladenia, pretože ide o modelový prístup k riadeniu systému v oblasti jeho vlastnej frekvencie. Umiestnenie pólov pozdĺž uhla 45° v s-rovine transformovalo systém z podtlmeného rozsahu 0,3 do kriticky tlmeného rozsahu pomocou návrhu vyhovujúceho norme ISO 10770-1. Tento postup zahŕňal výpočet hydralickej tuhosti systému na základe geometrie valca a kvapaliny, mapovanie charakteristík prietoku a tlaku riadiacej ventilu na určenie hraníc zosilnenia a úpravu spätnoväzbovej regulácie tak, aby sa póly posunuli pod prah nestability 300 Hz. Výsledkom bolo pôsobivé zníženie vibrácií v oceľových valcovniach o 92 %, pričom systém stále plnil požiadavky normy ISO 10770-1 na hodnotenie dynamickej tuhosti.
Často kladené otázky
Čo znamená pojem „oneskorenie tlaku“ v hydraulických servosystémoch?
Pri vysokorýchlostných operáciách môže oneskorenie odozvy valca po aktivácii ventilu znížiť celkovú dynamickú presnosť systému.
Prečo je pri hydraulických servosystémoch šírka pásma v rozsahu 50–300 Hz?
Zvyčajne inércia aktuátora v spojení so stlačiteľnosťou kvapaliny spôsobí rezonanciu, ktorá obmedzí šírku pásma. Po vstupe do oblasti nestability sa poruchy začnú kmitať, čo má za následok stratу presnosti systému.
Aké sú výhody modelovo založeného reléového ladenia (MBRT) v porovnaní s metódou Ziegler–Nichols?
MBRT pomáha lokalizovať rôzne rezonančné módy systému a tiež vypočítať zásahy stabilizačných ziskov. Toto je možné dosiahnuť s menším prekmitom a zlepšenou odozvou z hľadiska doby ustálenia.
Aký je účinok použitia schémy prediktívnej regulácie?
Časovanie a akumulácia chýb spôsobených spätnou väzbou sa eliminujú pri použití riadiaceho schémy s prediktívnym riadením. To má za následok zlepšenie výkonu systému so zníženým prekmitaním a dohou ustálenia.
Čo znamená umiestnenie pólov v hydraulických servosystémoch?
Ide o riadiacu metódu založenú na modeli, ktorá potláča prirodzené (a potenciálne nebezpečné) póly hydraulického servosystému, aby sa udržal výkon a integrita systému.
