5 wskazówek, jak sterować hydrauliką w układach mechatronicznych

Połączenie zaawansowanych projektów maszyn i technologii związanych z Przemysłem 4.0 owocuje mechatroniczną synergią układów mechanicznych i sterowania elektronicznego. Prezentujemy pięć wskazówek dotyczących tego, jak usprawnić pracę nowoczesnych układów hydraulicznych.
W niektórych dziedzinach produkcji przemysłowej wciąż królują technologie hydrauliczne. Powodem są ich oczywiste zalety – prędkość, siła czy dostępność mocy. Mało prawdopodobne jest, aby hydraulika miała zostać całkowicie wyparta przez technologie wykorzystujące napędy elektromechaniczne. W artykule przedstawiono pięć wskazówek, których zastosowanie pomoże w zwiększeniu funkcjonalności i wydajności napędów hydraulicznych.
1. Wykorzystaj prędkość, aby ustabilizować i zwiększyć wydajność pracy
Niemal wszystkie napędy elektromechaniczne zawierają czujnik prędkości ze sprzężeniem zwrotnym, który jest ściśle zintegrowany ze sterownikiem silnika. W rezultacie w układzie dostępny jest dobrze zdefiniowany sygnał prędkości na jednostkę (wzmocnienie prędkości). Jednak w przypadku napędu hydraulicznego prędkość siłownika stanowi funkcję sygnału sterującego, która zależy od obciążenia siłownika.
Zmiana prędkości w prostej linii działa na pętlę wzmocnienia napędu i ostatecznie wpływa na stabilność i dokładność wykonywanego ruchu. Dlatego dodanie czujnika sprzężenia zwrotnego prędkości do sterowania może wyeliminować ten problem. Wykonuje się to jednak rzadko, zwłaszcza gdy inżynierowie sterujący napędem mają małe doświadczenie w pracy z hydrauliką. Aby w pełni móc sterować systemem, należy wykorzystywać do napędów hydraulicznych takie sterowniki, które będą kompensować zmiany we wzmacniaczach w systemie. Zazwyczaj jest to pewien rodzaj estymatora prędkości, pozwalający na wyliczenie szacunkowej prędkości i ustabilizowanie wzmocnienia.
Wyspecjalizowane moduły filtrów „obserwujące” pracę napędu mogą korzystać z dostępnych sygnałów zwrotnych, a następnie różniczkować je w celu oszacowania sygnału prędkości właściwego dla układu sterowania. „Obserwator” wykorzystuje uproszczony model matematyczny systemu, umożliwiający liczenie sygnału prędkości siłownika jako pochodnej.
2. Wykorzystaj kontrolowane tłumienie
Umiejętne operowanie tłumieniem jest kluczowe w nowoczesnych systemach napędowych wysokiej wydajności. W przypadku napędów elektromechanicznych zagnieżdżone w sterowniku pętle momentu obrotowego i prędkości gwarantują odpowiedni poziom sztywności i tłumienia.
Zapewniając właściwy dla danego napędu płyn w układzie hydraulicznym oraz odpowiednią sprężystość, w połączeniu z bezwładnością własną lub obciążenia, otrzymujemy system masy odsprężynowanej z relatywnie niską częstotliwością oraz nieznacznym tłumieniem. Podczas pracy z wysoką wydajnością taki układ może mieć tendencję do wpadania w oscylacje.
Obecnie technologia pozwala jednak na stosowanie zaawansowanych metod tłumienia w napędach hydraulicznych. Można je podzielić na trzy grupy oparte na:
-> przetwornikach,
-> „obserwatorze”,
-> różniczkowaniu w czasie rzeczywistym.
W pierwszym przypadku przetworniki dodaje się bezpośrednio do napędu. Są to czujniki prędkości, przyspieszenia, ciśnienia lub ich dowolne kombinacje. Wykorzystując techniki filtrów elektronicznych, czujniki te wychwytują niepożądane ruchy wynikające z początkowej niestabilności, a następnie kompensują je poprzez sygnały korygujące. Wykorzystywanie przetworników zwiększa jednak złożoność całego układu oraz oczywiście jego koszt.
Korzystanie z rozwiązania z drugiej grupy – „obserwatora” – polega na wykorzystaniu uproszczonego, matematycznego modelu napędu w jego sterowniku. Model ten zawiera obliczenia dla rezonansu oraz tłumienia niskiego poziomu w napędzie. Dzięki wykorzystaniu dostępnych sygnałów zwrotnych (zazwyczaj z przetwornika położenia) „obserwator” może przewidzieć pojawienie się niepożądanych ruchów oraz generować sygnały korygujące (rys. 1). Większość urządzeń numerycznych sterowanych komputerowo (CNC), o średniej wydajności, czy programowalnych sterowników logicznych (PLC) nie zawiera tego typu zaawansowanych funkcji, dlatego oczywistą przewagę mają sterowniki wysokiej wydajności, zaprojektowane specjalnie dla hydrauliki.

3. Zapanuj nad ciśnieniem dzięki wyspecjalizowanym sterownikom dla hydrauliki
Regulacja siły lub siły i położenia jest coraz istotniejszym wymogiem podczas projektowania napędów hydraulicznych. Dla typowego zastosowania, jakim jest prasa hydrauliczna z tradycyjnym sterownikiem, pełna siła nacisku będzie dostępna aż do zadanej, końcowej pozycji. Do niektórych zastosowań to wystarczy, jednak często ze względu na specyfikę procesu dodatkowym wymogiem staje się możliwość sterowania albo ograniczania siły (lub momentu obrotowego). Ponieważ elastyczne gniazda produkcyjne są coraz bardziej popularne w technologiach związanych z koncepcją Przemysłu 4.0, możliwość sterowania i zmiany wartości przyłożonej siły na różnych poziomach (w oparciu o wymogi dotyczące produkcji – kontrola prędkości i położenia) szybko staje się niezbędna w wielu nowo budowanych systemach.
4. Pamiętaj, że napędy hydrauliczne to często urządzenia nieliniowe
Należy pamiętać, że sterowanie siłownikami hydraulicznymi nierzadko musi uwzględniać ich nieliniowość. Zawory służące do sterowania, podobnie jak rezystory w układach elektrycznych, są elementami oporowymi, gdzie przepływ (analogicznie – natężenie prądu) pozostaje funkcją spadku ciśnienia (spadku napięcia) w całym układzie. Przepływ jest proporcjonalny do ciśnienia zasilania Ps, pomniejszonego o ciśnienie obciążenia Pi.
Dlatego też przepływ przez zawór będzie różny, w zależności od ciśnienia zasilania i obciążenia. Dodatkowo, wiele zaworów hydraulicznych nie ma liniowej charakterystyki przepływu od sygnału (rys. 2). Skutkuje to podatną na zmiany pętlą sterowania wzmocnieniem dla osi hydraulicznej. Zaawansowane sterowniki, przeznaczone do pracy z układami hydraulicznymi, projektuje się w taki sposób, aby miały możliwość kompensowania, a nawet zlinearyzowania, charakterystyki zaworu, co dodatnio wpływa na wydajność układu. Dodatkowe funkcje monitorują również siły pochodzące od obciążenia oraz ciśnienia, aby adaptacyjnie kontrolować wzmocnienie regulatora i zapewnić maksymalną wydajność układu.
5. Pamiętaj, że całkowanie położenia może być pomocne, abyoptymalizować dokładność określania punktów końcowych
Kiedy położenie siłownika hydraulicznego jest pozycjonowane za pomocą sterownika,
podstawowe charakterystyki sterowania mogą się zmieniać. Układ ze sterowaniem położeniem za pomocą zaworów charakteryzuje się tym, że podczas ruchu zachowuje się jak człon całkujący. Oznacza to, że sygnał sterujący podany na zawór skutkuje zmianą prędkości siłownika.
Stąd położenie definiuje się jako: 
x = ∫ (sygnał wejściowy) dt
Jednak gdy siłownik osiąga zadaną pozycję, charakterystyka sterowania zmienia się z całkującej na proporcjonalną, co jest spowodowane wewnętrznym przeciekiem przez zawór hydrauliczny. Skutkuje to tym, że siłownik może nigdy nie osiągnąć zadanego położenia. Dodatkowo im większe obciążenie lub siła wymagana w końcowym położeniu siłownika, tym potencjalnie większy błąd pozycjonowania.
Wykorzystywanie członu całkującego do pozycjonowania siłownika pozwala na określenie końcowego położenia z dużą dokładnością, ale czyni samą fazę ruchu siłownika niestabilną. Dlatego idealnym rozwiązaniem jest wykorzystanie takiego sterownika, który dynamicznie przełącza się na całkowanie w krótkim oknie – pozycjonowanie w pobliżu końcowej, zadanej wartości, a w czasie pozostałego przemieszczania siłownika pracuje bez członu całkującego. Taka kombinacja znacząco polepsza dokładność ustalania położenia końcowego, nie wprowadzając niestabilności podczas ruchu.
Punkt, w którym następuje przełączanie członu całkującego, jest ustalany na podstawie kilku warunków, wybranych dla optymalizacji procesu sterowania. Taka możliwość jest dostępna w nowoczesnych sterownikach wysokiej wydajności, przeznaczonych do sterowania układów hydraulicznych. 
Autor: Paul Stavrou pracuje jako Applications Engineering Manager w firmie Bosch Rexroth.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.