Hydraulikäyttöisen leukamurskaimen nopeuden mallinnus ja PID-säätö

Abstract

Työn tarkoituksena oli tutkia, miten Metson hydraulikäyttöisen leukamurskaimen murskausnopeuden säätöratkaisua voisi parantaa. Murskaimen säädinratkaisuna oli työn tekohetkellä PI-säädin. Työssä arvioitiin PID-tyyppisen säätöratkaisun sopivuutta ja tarkasteltiin, olisiko esimerkiksi derivointiosan käytöstä tai asetusarvopainotuksesta hyötyä säätimessä pelkän PI-rakenteen sijaan. Lisäksi työssä etsittiin kriteereihin sopivat viritysparametrit PI- ja PID-säätimille, minkä avulla oli mahdollista simuloida säätötuloksia.

Säätimen virityksen tarkastelua ja säätörakenteiden analysointia varten tarvittiin malli kivenmurskaimen nopeutta säätävälle toimilaitteelle syötettävän ohjaussignaalin ja kivenmurskaimen mitatun nopeuden välisestä dynamiikasta. Työssä malli muodostettiin kokeellisesti. Työssä tehtiin askelvastekoe ja kaksi taajuusvastekoetta. Toisen taajuusvastekokeen mittaustulosten perusteella muodostettiin säätimen virittämisessä käytettävä toisen kertaluokan viiveellisen vaimennussuhdemallin mukainen prosessimalli. Tarkasteltiin mittausdatasta myös kivenmurskaimen nopeuteen vaikuttavan säätöpiirin muita ominaisuuksia, kuten epälineaarisuutta ja mittauskohinaa. Kerätty mittausdata oli alipäästösuodatettua ja siinä ei esiintynyt merkittävästi mittauskohinasta johtuvia häiriöitä. Nopeuteen vaikuttava dynamiikka oli mittausten perusteella erilainen sen mukaan, kuinka suuri siihen tehtävä muutos oli ja kumpaan suuntaan muutos tehtiin. Lineaarisen PID-tyyppisen säätimen arvioitiin tästä huolimatta sopivan prosessin säätämiseen hyvin, sillä epälineaarisuus ei ollut käyttöalueen sisällä huomattavaa ja säätimellä on linearisoiva vaikutus. Lisäksi prosessin dynamiikassa ei esiintynyt esimerkiksi pitkiä viiveitä tai monimutkaista dynamiikkaa, minkä perusteella arvioitiin myös, että PID-säädintä monimutkaisemmasta säätörakenteesta ei olisi hyötyä.

Mallin perusteella työssä viritettiin kuormitushäiriön vaikutusta minimoivan kriteerin avulla alustavasti PID- ja PI-säätimet. Lisäksi arvioitiin mittausdatan ja simulointitulosten perusteella, että asetusarvopainotettu PID-säädin tai joko asetusarvopainotettu tai tavallinen PI-säädin sopii säätämään kivenmurskaimen nopeutta. PID-säätimen derivointiosan hyödyntämisen etuna oli parempi suorituskyky ja haittana tietyillä taajuuksilla esiintyvän mittauskohinan vahvistuminen säätimen tuottamaan ohjaukseen. Työn lopussa on myös esitetty ideoita, miten PI-säätimen tai PID-säätimen tapauksessa on mahdollista edelleen parannella algoritmin tuottamaa viritystä ennen säätimen testaamista murskaimessa.