การปรับแต่งวงจรควบคุมเซอร์โวไฮดรอลิกเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

ลักษณะเชิงไม่เชิงเส้นและพลศาสตร์ของระบบเซอร์โวไฮดรอลิก

ความล่าช้าของแรงดัน ฮิสเตอรีซิสของวาล์ว และความสามารถในการบีบอัดของของไหลในระบบไฮดรอลิกแบบเซอร์โว

เพื่อควบคุมระบบไฮดรอลิกแบบเซอร์โว ท่านจำเป็นต้องจัดการกับพฤติกรรมแบบไม่เป็นเชิงเส้นสามประเภท ประการแรก คือ ความล่าช้าของแรงดัน ซึ่งหมายถึงช่วงเวลาที่ตัวขับเคลื่อนไฮดรอลิกใช้ในการตอบสนองต่อคำสั่งควบคุมที่ส่งไปยังวาล์ว ซึ่งจะลดความแม่นยำเชิงพลศาสตร์ลง นอกจากนี้ ยังมีปรากฏการณ์ฮิสเตอรีซิสของวาล์ว ซึ่งหมายถึงช่วงเวลาที่ตัวขับเคลื่อนไฮดรอลิกใช้ในการเข้าสู่ตำแหน่งใหม่ที่ต้องการอย่างมั่นคง ซึ่งก่อให้เกิดข้อผิดพลาดด้านความซ้ำซ้อนในการระบุตำแหน่งของตัวขับเคลื่อน อีกประการหนึ่ง ความสามารถในการบีบอัดของของไหล (โดยเฉพาะอากาศ) จะทำให้ระบบเกิดพฤติกรรมความล่าช้า ซึ่งอาจลดความแข็งแกร่ง (stiffness) ของระบบไฮดรอลิกได้อย่างมีนัยสำคัญ และส่งผลโดยตรงต่อการเคลื่อนที่ของตัวขับเคลื่อน ปัญหานี้มีความรุนแรงเป็นพิเศษเมื่อมีอากาศผสมอยู่ในของไหลมากกว่าร้อยละ 1 การสูญเสียความแข็งแกร่งดังกล่าวอาจลดความเที่ยงตรง (fidelity) ของการเคลื่อนที่ที่ตัวขับเคลื่อนต้องการได้ด้วย ด้วยการเลือกใช้วาล์วแบบสัดส่วน (proportional valve) ที่เหมาะสม พร้อมสมรรถนะเชิงพลศาสตร์ที่สอดคล้องกัน และควบคุมการระบายของไหลออกอย่างเหมาะสม ผลกระทบเหล่านี้สามารถลดลงได้อย่างมาก

ข้อจำกัดด้านพลศาสตร์ของระบบไฮดรอลิก: เหตุใดความถี่ตัด (cutoffs) จึงอยู่ระหว่าง 50 ถึง 300 เฮิร์ตซ์

การกำหนดความถี่ตัด (cut-off frequency) ด้านพลศาสตร์ของระบบไฮดรอลิกนั้นขึ้นอยู่กับความเฉื่อยของแอคทูเอเตอร์ และระดับความอัดตัวได้ของของไหล ในระบบไฮดรอลิก พฤติกรรมการลดแรงสั่นสะเทือน (damping behavior) ที่มีประสิทธิภาพของระบบยังขึ้นอยู่กับโมดูลัสเชิงปริมาตร (bulk modulus) ของของไหล และความเฉื่อยจากการสั่นพ้อง (resonance inertia) (ซึ่งหมายถึงความเฉื่อยที่เกิดจากส่วนที่เคลื่อนที่ของระบบ) เมื่อความถี่ที่ใช้ในระบบไฮดรอลิกเกิน 300 เฮิร์ตซ์ ภาชนะบรรจุของไหล (ซึ่งโดยทั่วไปคือน้ำมันแร่ที่มีค่าโมดูลัสเชิงปริมาตรอยู่ระหว่าง 15,000 ถึง 25,000 บาร์) จะเริ่มสั่นสะเทือนและรบกวนความแม่นยำในการจัดตำแหน่งของระบบ พฤติกรรมนี้ยังถูกควบคุมโดยข้อกำหนดด้านเวลาตอบสนอง (response requirements) และการสูญเสียขอบเขตเฟส/กำไร (phase/gain margins) (ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน ISO 10770-1) นี่คือเหตุผลที่แอคทูเอเตอร์ไฮดรอลิกส่วนใหญ่ทำงานที่ความถี่ต่ำอย่างสมเหตุสมผล คือต่ำกว่า 250 เฮิร์ตซ์

กลยุทธ์การปรับแต่ง PID แบบปฏิบัติจริงสำหรับระบบไฮดรอลิกแบบเซอร์โว

การปรับแต่งพารามิเตอร์แบบ Ziegler-Nichols หรือแบบ Relay Tuning ที่ใช้แบบจำลองบนแอคชูเอเตอร์แบบอิเล็กโทรไฮดรอลิก

เมื่อพิจารณาวิธีการปรับแต่งตัวควบคุม PID สำหรับระบบนิวเมติก-ไฮดรอลิกแบบไม่เป็นเชิงเส้น จะเกิดข้อแลกเปลี่ยนบางประการขึ้น วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งคือวิธีของไซเกลอร์-นิโคลส์ (Ziegler-Nichols) ซึ่งประกอบด้วยการปรับค่าความแข็งแรงของส่วนสัดส่วน (proportional gain) ส่วนอินทิกรัล (integral gain) และส่วนดิฟเฟอเรนเชียล (derivative gain) จนกระทั่งเกิดการสั่นสะเทือนสม่ำเสมออย่างต่อเนื่อง แม้ว่าวิธีนี้จะง่าย แต่ก็มีข้อบกพร่องบางประการที่เกี่ยวข้อง วิธีนี้อาจทำให้ระบบไม่เสถียรในกรณีที่ระบบมีการตอบสนองสูง และอาจรบกวนกฎเกณฑ์การใช้งานใกล้ความถี่เรโซแนนซ์ธรรมชาติ ตรงกันข้าม วิธีแบบรีเลย์ที่อาศัยแบบจำลอง (model-based relay method) นั้นเกี่ยวข้องกับการป้อนสัญญาณสั่นสะเทือนที่ควบคุมได้เข้าสู่ระบบ เพื่อกำหนดและจับโหมดการสั่นสะเทือนหลัก ซึ่งในระบบที่ใช้ไฮดรอลิกอาจมีค่าสูงกว่า 50 เฮิร์ตซ์ จากนั้นจึงคำนวณหาค่าความแข็งแรงที่ทำให้ระบบเสถียรโดยใช้เกณฑ์ไนควิสต์ (Nyquist criterion) วิธีนี้สามารถลดการเกินค่า (overshoot) ในการประยุกต์ใช้งานที่มีวาล์วชดเชยแรงดัน ซึ่งแตกต่างจากวิธีไซเกลอร์-นิโคลส์ ทั้งนี้ วิธีไซเกลอร์-นิโคลส์คาดว่าจะลดระยะเวลาการตั้งตัว (settling time) ลงได้ร้อยละ 40 เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีไซเกลอร์-นิโคลส์เองสำหรับระบบที่มีการเรโซแนนซ์ที่ความถี่ประมาณ 150 เฮิร์ตซ์

วิธีการปรับแต่ง ดีที่สุดสำหรับความเสี่ยงต่อความมั่นคง ค่าแบนด์วิดท์โดยทั่วไปที่ได้รับ
ไสก์เลอร์-นิโคลส์ สำหรับแอปพลิเคชันความถี่ต่ำ สูงในโซนเรโซแนนซ์ ≤150 เฮิร์ตซ์
แบบจำลองเชิงประมวลผลแบบรีเลย์ สำหรับระบบไฮโดรลิกไฟฟ้าแบบไดนามิกสูง ต่ำเมื่อมีการสร้างแบบจำลองอย่างแม่นยำ 200–300 เฮิร์ตซ์

เมื่อการปรับแต่ง PID ล้มเหลว: การระบุสาเหตุของความไม่มั่นคงในระบบไฮดรอลิกเซอร์โวที่มีค่าเกนสูง PID Tuning

เมื่อระบบมีลักษณะการบีบอัดของของไหลและความจำเสื่อม (hysteresis) อยู่ด้วย ตัวควบคุมแบบ PID จะล้มเหลวโดยหลีกเลี่ยงไม่ได้ การเพิ่มค่า gain ขององค์ประกอบการควบคุมแบบสัดส่วนมากเกินไปจะทำให้เวลาที่จุดตั้งค่า (set-point) ไม่ตอบสนอง (dead time) เพิ่มขึ้น และก่อให้เกิดวงจรจำกัด (limit cycles) ที่ความถี่สูงกว่า 250 เฮิร์ตซ์ การเปลี่ยนแปลงของภาระที่กระทำต่อแอคทูเอเตอร์ซึ่งเกิดขึ้นในกระบวนการฉีดขึ้นรูปพลาสติก จะทำให้ชุดแอคทูเอเตอร์เคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเดิมประมาณ 0.5 มิลลิเมตร และก่อให้เกิดปรากฏการณ์ integral windup ซึ่งเป็นปัญหาที่รุนแรงมาก และจำเป็นต้องใช้เทคนิค gain scheduling หรือปรับเปลี่ยนระบบให้เหมาะสม วาล์วที่มีส่วนทับซ้อน (overlap) มากกว่า 15% จะแสดงลักษณะความหน่วงเวลา (time delay) อย่างมีนัยสำคัญ และก่อให้เกิดความไม่เสถียรของระบบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้การชดเชยแรงเสียดทาน (friction compensation) ต่อระบบ หรือใช้การควบคุมแบบปรับค่าเกณฑ์แรงเสียดทานแบบปรับตัว (adaptive friction threshold control) งานวิจัยล่าสุดได้แสดงให้เห็นว่า

เทคนิคการชดเชยเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบไฮดรอลิกแบบเซอร์โว

การควบคุมแบบ Feedforward พร้อมการชดเชยโมดูลัสเชิงปริมาตร (Bulk Modulus) และแรงเสียดทาน

การควบคุมแบบป้อนข้างหน้า (Feedforward control) ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถชดเชยล่วงหน้าสำหรับความไม่เป็นเชิงเส้นบางประการได้ด้วย ซึ่งแตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิมที่พึ่งพาการควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback) ซึ่งส่งผลให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพตามมา โมดูลัสของความหนาแน่น (Bulk modulus) อาจเปลี่ยนแปลงได้ในช่วง ±15% ตามอุณหภูมิ ซึ่งก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความแข็งแกร่งที่ขึ้นกับความดันของของไหล และส่งผลโดยรวมให้ตำแหน่งในการทำงานที่ต้องการความแม่นยำสูงไม่ดีนัก แรงเสียดทานสถิตจากการรั่วไหลของของไหลยังถูกกล่าวว่ามีค่าอยู่ในช่วงร้อยละ 20 ของแรงต้านทั้งหมดของแอคทูเอเตอร์ ผู้ควบคุมขั้นสูงสามารถออกแบบให้จำลองแรงเสียดทานแบบพลศาสตร์ของของไหลและความสามารถในการบีบอัดแบบพลศาสตร์ของของไหล และให้สัญญาณควบคุมเชิงแก้ไขล่วงหน้าก่อนเกิดข้อผิดพลาด การชดเชยแบบสองทางนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการเกินค่า (overshoot) และลดระยะเวลาที่ใช้ในการทำให้เครื่องฉีดขึ้นรูปมีเสถียรภาพลงได้ร้อยละ 37 ขณะยังคงรักษาความแม่นยำของการควบคุมแบบเรียลไทม์ภายใต้ภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิให้อยู่ในระดับไมครอน

การจัดวางโพลเพื่อเพิ่มการลดทอน: การออกแบบตามมาตรฐาน ISO 10770-1

ในการใช้เทคนิคการจัดวางขั้ว (pole placement) อัตราส่วนการลดแรงสั่นสะเทือน (damping ratio) ของระบบไฮดรอลิกเซอร์โวจะถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 0.6 ถึง 0.8 เพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์เรโซแนนซ์และความไม่เสถียร ซึ่งแตกต่างจากเทคนิคการปรับแต่งแบบดั้งเดิม เนื่องจากเป็นแนวทางที่อาศัยแบบจำลอง (model-based approach) ในการควบคุมระบบบริเวณความถี่ธรรมชาติ (natural frequency) ของมัน การจัดวางขั้วตามแนวมุม 45° บนระนาบ s ทำให้ระบบเปลี่ยนจากสถานะที่มีการลดแรงสั่นสะเทือนต่ำ (underdamped) ที่มีค่าประมาณ 0.3 ไปสู่สถานะที่มีการลดแรงสั่นสะเทือนวิกฤต (critically damped) โดยใช้การออกแบบที่สอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 10770-1 ซึ่งประกอบด้วยการคำนวณความแข็งแกร่งเชิงไฮดรอลิก (hydraulic stiffness) ของระบบโดยอิงจากเรขาคณิตของกระบอกสูบและของไหล การจับคู่ลักษณะการไหล-ความดัน (flow-pressure characteristics) ของวาล์วควบคุมเพื่อกำหนดขอบเขตของค่าได้ (gain limits) และการปรับการควบคุมแบบป้อนกลับ (feedback control) เพื่อย้ายตำแหน่งขั้วให้อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์ความไม่เสถียรที่ 300 Hz ผลลัพธ์ที่ได้คือการลดการสั่นสะเทือนลงอย่างน่าประทับใจถึง 92% ในโรงกลิ้งเหล็ก (steel rolling mills) ขณะเดียวกันยังคงปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO 10770-1 อย่างสมบูรณ์ รวมถึงข้อกำหนดด้านการประเมินความแข็งแกร่งเชิงพลศาสตร์ (dynamic stiffness evaluation)

คำถามที่พบบ่อย

คำว่า "ความล่าช้าของแรงดัน" หมายถึงอะไรในระบบไฮดรอลิกเซอร์โว?

ในการทำงานที่มีความเร็วสูง การกระตุ้นวาล์วตามด้วยความล่าช้าในการตอบสนองของกระบอกสูบอาจทำให้ความแม่นยำเชิงพลศาสตร์โดยรวมของระบบลดลง

เหตุใดแบนด์วิดท์ของระบบไฮดรอลิกเซอร์โวจึงอยู่ในช่วง 50–300 เฮิร์ตซ์?

โดยทั่วไปแล้ว ความเฉื่อยของแอคทูเอเตอร์ร่วมกับความสามารถในการอัดตัวของของไหลจะก่อให้เกิดการสั่นพ้อง ซึ่งจะจำกัดแบนด์วิดท์ ทันทีที่เข้าสู่บริเวณที่ไม่เสถียร ความรบกวนจะเริ่มสั่นสะเทือน ส่งผลให้สูญเสียความแม่นยำของระบบ

ข้อดีของการปรับแต่งค่าควบคุมแบบใช้แบบจำลอง (MBRT) เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีไซกลาร์-นิโคลส์คืออะไร?

MBRT จะช่วยในการระบุโหมดการสั่นพ้องที่แตกต่างกันของระบบ รวมทั้งช่วยคำนวณขอบเขตกำไรที่ทำให้ระบบมีเสถียรภาพ ซึ่งสามารถทำได้ด้วยค่าเกินเป้า (overshoot) ที่น้อยลง และการตอบสนองที่ดีขึ้นในแง่ของระยะเวลาที่ใช้ในการเข้าสู่สภาวะคงที่ (settling time)

ผลที่เกิดจากการใช้โครงสร้างการควบคุมแบบฟีดฟอร์เวิร์ดคืออะไร?

การใช้ระบบควบคุมแบบฟีดฟอร์เวิร์ดจะช่วยกำจัดปัญหาเรื่องความไม่ตรงเวลาและการสะสมของข้อผิดพลาดที่เกิดจากสัญญาณย้อนกลับ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของระบบดีขึ้น โดยมีค่าโอเวอร์ชูตและเวลาที่ใช้ในการเข้าสู่สภาวะคงที่ลดลง

การจัดวางโพล (pole placement) หมายถึงอะไรในระบบไฮดรอลิกเซอร์โว?

นี่คือวิธีการควบคุมที่อิงตามแบบจำลอง เพื่อทำให้โพลธรรมชาติ (ซึ่งอาจก่อให้เกิดความไม่ปลอดภัย) ของระบบไฮดรอลิกเซอร์โวถูกลดทอนลง เพื่อรักษาประสิทธิภาพและการบูรณาการของระบบไว้