Vesijetin hydraulinen ohjausjärjestelmä

Abstract

Vesijetin ohjausjärjestelmä on aluksissa esiintyvien hydraulikäyttöjen sovellus, jossa vesisuihkujen ohjauksessa käytetään hydraulisia toimilaitteita. Tyypillisessä ohjausjärjestelmässä on proportionaalihydrauliikalla ja sylintereillä toteutettu asemasäätö, jolle digitaalihydrauliikka voi tarjota yksinkertaisemman ja luotettavamman järjestelmävaihtoehdon. Tässä työssä tutkitaan digitaalihydrauliikan soveltamista vesisuihkujen ohjaukseen mallipohjaista säätömenetelmää käyttämällä. Työn tavoitteena on toteuttaa CAN-väylältä ohjattava järjestelmäkokonaisuus ja selvittää, millaisia parannuksia vesisuihkujen ohjauksessa saavutetaan digitaalihydrauliikalla luotettavuuden ja energiatehokkuuden osalta. Työn taustoja käsittelevässä osuudessa käydään läpi vesijetin ja peräsimen ohjausjärjestelmien toteutustapoja aluksissa, tarkastellaan digitaalihydraulisten ja proportionaalihydraulisten asemasäätöjen eroja sekä esitellään ohjausjärjestelmään liittyvää standardisointia hydrauliikan ja väylätekniikan osalta. Mallinnus ja mitoitus -osuudessa rakennetaan hydrauliikkaa kuvaava simulointimalli, johon suunnitellaan ja lisätään mallipohjainen säädin. Lisäksi esitellään testilaitteisto ja käydään läpi säätimen realisointiin liittyviä vaiheita. Työn tuloksia esittelevässä osuudessa käydään läpi sekä dSPACE-laitteistolla että hybridiohjaimella tehdyt asemasäädön mittaukset, venttiilien vikaantumisen vaikutus ja vikojen etsintädiagnostiikka. Lisäksi vertaillaan tutkittua järjestelmää aikaisemman tutkimuksen meter-out-säädön kanssa sekä tutkitaan energiatehokkuuden parannusmahdollisuuksia simuloidulla järjestelmällä. 3-bittisellä binäärikoodatulla nelireunasäädöllä voidaan saavuttaa vesisuihkujen ohjaukselle riittävä asemointitarkkuus ja resoluutio pienillä nopeuksilla ristivirtauksia hyödyntämällä. Myös 2-bittisessä toteutuksessa on potentiaalia suihkujen ohjaukselle, jos kulmanopeusvaatimus ei ole suuri. Analyyttisiin steady-state-ratkaisuihin perustuva mallipohjainen säädin vaatii virheellisiä ratkaisuja tuottavien tilakombinaatioiden eliminointia ja ratkaisujen huolellista analysointia. Kavitoinnin eliminointi on tarpeellinen osa suihkujen ohjauksessa käytettävää mallipohjaista asemasäätöä. Mallipohjaisen säätimen realisointi onnistuu edullisella CANopen-yhteensopivalla ohjaimella rajoitetusta lukutarkkuudesta huolimatta. CiA408-laiteprofiili soveltuu käytettäväksi digitaalihydrauliikalle ja mallipohjaiselle säädölle pienin muutoksin. Lisäämällä yhdysventtiili kammiolinjojen väliin voidaan suihkujen asemasäädön energiatehokkuutta parantaa sopivalla ohjelmoinnilla.