Hydraulisen servon tilasäätö ja sen ominaisuuksien tarkastelu

Abstract

Hydrauliset järjestelmät ovat edelleen välttämättömiä sovellusaloilla, joissa tarvitaan hyvää tehopainosuhdetta ja kestävyyttä, kuten liikkuvissa työkoneissa. Hydraulisten järjestelmien lisääntynyt automatisointi ja tiukentuneet turvallisuusvaatimukset asettavat säädön suunnittelulle yhä tiukempia toimintavaatimuksia. Hydraulijärjestelmien säätö- ja järjestelmäsuunnittelulla pystytään vaikuttamaan positiivisesti kyseisten järjestelmien heikkouksiin kuten hyötysuhteeseen ja epälineaarisuuteen.

Tässä työssä muodostetaan hydrauliselle asemaservolle lineaarinen tilamalli ja sille tilasäädin. Tilasäätimen suunnitteluun käytetään linearisoitua mallia, jotta suunnittelu voidaan toteuttaa lineaarisilla ja aikavarianteilla säätömenetelmillä. Lineaarisen mallin käyttäminen kuitenkin asettaa omat haasteensa toteutukselle, koska silloin kaikkia järjestelmässä esiintyviä epälineaarisuuksia ei voida huomioida säätimen suunnittelussa. Järjestelmässä esiintyvät epälineaarisuudet esitellään ja pohditaan niiden vaikutusta järjestelmän käyttäytymiseen.

Tilamallille muodostetun tilasäätimen virittämiseen käytetään napojenasettelumenetelmää, jonka avulla järjestelmän navat voidaan asettaa haluttuihin paikkoihin. Kyseisten paikkojen määrittämiseen käytetään ITAE-polynomia. Tilasäätimen vertailukohteena käytetään P-säädintä, joka viritetään käyttämällä Routh – Hurwitzin -stabiiliuskriteeriä.

Työn simulointiosuudessa tutkitaan järjestelmän ominaisuuksien vaikutuksia käytetyn säätömenetelmän hyvyyteen. Järjestelmän ominaisuuksia muutetaan vaihtamalla venttiilin ominaistilavuusvirtausta, sylinterin kokoa ja sylinterin kuormamassaa. Säädön hyvyyttä mitataan suorituskykyindeksillä, joka huomio asemavirheen lisäksi toimilaitteen nopeuden. Tieto asemavirheestä ja toimilaitteen nopeudesta kerätään syöttämällä malliin sinimuotoinen rata. Radan taajuus ja amplitudi valitaan simuloinnissa siten, ettei venttiilinohjaus pääse saturoitumaan ja vaikuttamaan tuloksiin.

Simulointituloksista huomataan, että järjestelmän ominaiskulmataajuudella on suurin vaikutus säädön hyvyyteen. Tässä työssä sekä sylinterin koko että kuormamassa molemmat vaikuttavat järjestelmän ominaiskulmataajuuden. Sen sijaan järjestelmän kokonaisvahvistuksella ei ole yhtä suurta merkitystä käytetyn säätömenetelmän hyvyyteen.