Paineen ohjaus ja säätö paineenrajoitusproportionaaliventtiilillä

MITTAUSMENETELMÄ

Paineen säädön toimivuus testattiin muokatussa hydraulikoneikossa paineenrajoituspro-portionaaliventiilin avautumispaineen asetusarvoa säätämällä. Asetusarvoa säätämällä säädettiin paineenrajoitusproportionaaliventtiilin avautumispainetta ja siten järjestelmän painetasoa. Testissä ajettiin konfigurointiohjelman testialgoritmivälilehdellä määritellyt painetasot. Öljyä pumpattiin lähes suljetun pallohanan läpi, jolloin paineen oli mahdol-lista nousta koekäytössa vaaditulle tasolle. Testin jälkeen verrattiin CSV-tiedostoon tal-lennettuja paineen ohjearvoa ja mittausarvoa toisiinsa sekä voitiin tarkastella säätimen ulostuloa ja tilavuusvirtaa.

Paineen säätöön käytettiin PI-säädintä, jonka kertoimet määriteltiin konfigurointiohjel-man ohjauksetvälilehdellä. PI-säädin aktivoitiin testialgoritmivälilehdellä laittamalla AO_1_fb sarakkeeseen arvo 1, kun säätimen haluttiin olevan toiminnassa. PI-säätimen takaisinkytkentä otettiin Wika A10 0 – 400 bar paineanturilta ja ohjearvon sekä mittaus-arvon erosuureen perusteella säädettiin paineenrajoitusproportionaaliventtiilin avautu-mispaineen asetusarvoa säädinparametrien mukaan.

Säätimen nopeudelle ja tarkkuudelle ei ollut asetettu projektin alussa mitään varsinaisia vaatimuksia vaan säätimen sekä testausjärjestelmän käytännöntoiminta tuli todentaa ja osoittaa, että testausjärjestelmä soveltuu sellaisenaan Dynaset Oy:n tuotteiden automaat-tiseen koekäyttöön. Paineen säätöä ei juurikaan tarvita koekäytöissä, sillä paineenrajoi-tusproportionaaliventtiiliä käytetään lähinnä koekäytön maksimipaineen asetukseen eli koekäytön alkaessa asetusarvo asetetaan esimerkiksi 200 bar ja tämä raja-arvo toimii hä-tärajana, jolloin laitteet eivät hajoa ylisuuren paineen takia. Paineen säätöä voidaan kui-tenkin käyttää esimerkiksi kuristimen ominaiskäyrän mittaamiseen, joten paineen säädön toiminta testattiin myös.

Hydraulikoneikolla ajettiin taulukon 7 mukaiset painetasot. Paineen säätö tehdään varsi-naisesti säätöpisteissä 3 – 7 ja pisteet 1, 2, 8 ja 9 ovat vain testin suorittamiseen käytettyjä apupisteitä.

Taulukko 7. Paineensäädössä käytetyt painetasot.

Mittauksiin käytettiin wika A10 paineanturia (0 – 400 bar) sekä Kracht VC 3 F1 PS tila-vuusvirta-anturia (0 – 160 L/min). Ohjauslaitteena oli Bosch Rexroth DBETX 0 – 315 bar paineenrajoitusproportionaaliventtiili. Paineanturi oli kytketty analogiamittauskana-vaan (AI_1), tilavuusvirta-anturi pulssikanaanalogiamittauskana-vaan (AI_16, 2 pulssikanava) ja paineerajoi-tusproportionaaliventtiili analogiaohjauskanavaan AO_1. Käytetty mittaustaajuus oli 100 Hz.

Mittauksissa käytetyt rekursiivisen suodattimen kertoimet olivat paineanturilla 0,001 ja tilavuusvirta-anturilla 0,01. Suodatusarvot valittiin tarkoituksella näinkin isoiksi pai-nesäädön takia, koska paine on luonnostaan melko värähtelevää, niin paineen säätö on siten hankalaa. Ilman suodattamista myös säädin alkaa värähtelemään painepiikkien mu-kaan ja säätö ei onnistu. Pienemmillä suodatusarvoilla paineenkuvaajaan tulisi korkeam-pia painepiikkejä.

TULOKSET

Kuvassa 57 on esitetty paineen ohjearvo sekä mitattu arvo, öljyn virtaus ja säätimen ulos-tulo, joka menee ohjausviestinä tiedonkeruukortilta paineenrajoitusproportionaaliventtii-lin vahvistinkortille. Säätimen ulostulon skaalaus on PLC:n ohjauskoodista ja esitysta-vasta johtuen vain suuntaa antava tässä kuvassa ja kuesitysta-vasta ei voi päätellä varsinaista sää-timeltä ulostulevaa ohjausviestiä insinööriyksiköissä eikä milliampeereissa. Kuvaajasta tosin näkee, milloin säädin säätää paineenrajoitusproportionaaliventtiilin asetusarvoa.

Säätöpiste Painetaso [bar]

1. 0

2. 70

3. 80

4. 100

5. 120

6. 100

7. 80

8. 70

9. 0

Paineen säätömittauksesta mitatut öljyn paineen ohjearvo, säätimen ulos-tulo, mitattu öljyn paine ja öljyn tilavuusvirta.

X-akselilla on ilmoitettu aika yksikössä 100 µs (200 000x100 µs = 20 s) ja y-akselin asteikko on välillä 0 – 120. Käyrien arvot luetaan y-akselilta ja kunkin signaalin yksikön voi tarkastaa otsikkotaulussa olevista signaalien nimistä. Kuvasta havaitaan, että paineen ohjearvo saavutetaan tarkasti. PI-säätimen ulostulon havaitaan aaltoilevan melko paljon, kun säätö aloitetaan siirtymällä arvosta 70 bar arvoon 80 bar. Tämä aaltoilu havaitaan myös paineessa, mutta pienempänä amplitudina (johtuu osittain suodatuksesta). Tässä vaiheessa PI(D)-säätimeen ei ollut vielä tehty lukitustoimintoa, joka estäisi säätimen toi-minnan aiheuttaman mittausvirheen tuloksissa. Lukitustoiminnossa säätimen ulostulo on lukittu ja proportionaaliventtiilin kara pysyy paikallaan eikä säätimen ominaisuudet siten aiheuta mittausvirhettä tuloksiin. Säätimen lukitustoiminto tulee testata ennen testaus-järjestelmän käyttöönottoa. Mittausten aikana tilavuusvirta on alle 5 L/min ja se näyttää melko tasaiselta (johtunee osittain myös suodatuksesta), mutta matalan tason perusteella tilavuusvirran vaihtelusta ei voi tarkasti sanoa mitään.

Kuvassa 58 on esitetty paineen virheen itseisarvo mittausten aikana. Paineen virheen it-seisarvo laskettiin vähentämällä ohjearvosta mittausarvo.

0 20 40 60 80 100 120

0 200000 400000 600000 800000

Asteikko [0 -120]

Aika [100 µs]

AO_3 = Öljyn paineen ohje [bar] AO_1 = Säätimen ulostulo AI_1 = Öljyn paine [bar] AI_16 = Öljyn virtaus [L/min]

Paineen virheen itseisarvo säätömittausten aikana.

X-akselilla on ilmoitettu aika yksikössä 100 µs (200 000x100 µs = 20 s) ja y-akselin asteikko on välillä 0 – 40 bar. Kuvasta havaitaan paineen virheen aaltomainen muoto.

Paineen virheen aallon harja syntyy paineen ohjearvon muuttuessa äkillisesti painetasosta seuraavaan painetasoon. Ohjearvon muutoksen jälkeen PID-säädin säätää paineenrajoi-tusproportionaaliventtiilin asetusarvoa siten että ohjearvo saavutetaan. Paineensäätö suo-ritettiin varsinaisesti säätöpisteissä 3 – 7 eli kolmannesta aallon harjasta seitsemänteen aallon harjaan. Siten 2 ensimmäistä ja 2 viimeistä aallon harjaa eivät kuuluneet varsinai-seen mittaukvarsinai-seen ja niistä ei tarvitse välittää. Paineen säätö arvosta 70 bar arvoon 80 bar alkaa noin 5 sekunnin kohdalta, kun säätövirhe alkaa nousemaan jyrkästi arvoon 10 bar ja noin ajan hetkellä 15 sekuntia ollaan lähes 0 bar säätövirheessä. Kuvasta havaitaan, että paineen säädön itseisarvon maksimivirhe on 14,69 bar ja se esiintyy säätöpisteessä 6.

Tällöin aikaa on kulunut 58,50 s (6. aallonharja vasemmalta laskettaessa).

Järjestelmälle laskettiin paineen säädön staattinen säätötarkkuus itseisarvona ja säätöaika eri mittauspisteissä erikseen ja sitten näistä muodostettiin keskimääräiset arvot paineen säätötarkkuudelle ja säätöajalle. Lasketut säätötarkkuudet ja säätöajat eri mittauspisteissä on esitetty taulukossa 8.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 2 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0

Asteikko [0 -40]

Aika [100 µs]

Paineen virheen itseisarvo ǀeǀ [bar]

Taulukko 8. Paineen säädön säätötarkkuus ja säätöaika eri mittauspisteissä.

Paineen säätöaika laskettiin ohjauksen muutoshetkestä siihen hetkeen, kun säätö oli saa-vutettu 5 % tarkkuudella. Maksimisäätöajaksi saatiin 61,3 s - 56,5 s = 4,8 s ja keski-määräiseksi säätöajaksi laskettiin säätöaikojen keskiarvosta 4,0 s. Eri painetasojen säätöajoista laskettua keskiarvoa voidaan pitää edustavana arvona järjestelmän säätöno-peudelle, kun painetasojen välinen ero on noin 20 bar. Säätöaika riippuu paljon siitä mi-ten se lasketaan ja nyt päädyttiin käyttämään rajaehtona kirjallisuudessa myös monesti käytettyä ±5 % säätötarkkuutta. Esimerkiksi ±2 % säätötarkkuudella säätöpisteessä 6 saadaan säätönopeudeksi 63,3 s – 56,5 s = 6,8 s. Tällöin ollaan jo hyvällä tarkkuusalu-eella, mutta säätöaika on suurempi verrattuna 5 % säätötarkkuudella laskettuun säätöai-kaan.

Säätötarkkuus laskettiin kunkin mittauspisteen lopussa keskiarvona mitatuista arvoista.

Keskiarvo otettiin kunkin askeleen viimeisen 1 sekunnin ajalta. Lasketut säätötarkkuus-arvot on listattu säätötarkkuus-sarakkeeseen. Maksimisäätövirheeksi laskettiin ±0,21 bar ja keskimääräiseksi säätötarkkuudeksi laskettiin säätötarkkuuksien keskiarvosta ±0,11 bar. Suoraanohjatulla paineenrajoitusproportionaaliventtiilillä päästiin yllättävän hyvään staattiseen tarkkuuteen ja säätönopeus oli käyttötarkoitukseen nähden riittävä.

Säädön nopeuteen ja stabiiliuteen vaikuttivat konfigurointiohjelman ohjausvälilehdellä asetetut säätöparametrit. Nämä säätöparametrit haettiin paineen säädölle erikseen ja ar-voiksi asetettiin käytännön testien myötä kp = 2,8; Ti = 2 ja Td = 0. Näitä kertoimia ei lähdetty optimoimaan minkään tarkan säätimen säätöohjeen, kuten Ziechler-Nicholsin säätöteorian mukaan. Myös integroidun neliövirheen menetelmää (engl. minimun Integ-ral Square Error, ISE) olisi voinut käyttää, jossa haetaan integroidulle virheen neliölle pienintä arvoa säädön kestoajalta. Säädintä ei lähdetty optimoimaan sen tarkemmin, koska jokaiselle laitteelle täytyy nämä kertoimet erikseen määrittää kuitenkin ja tämä ei kuulunut työn varsinaiseen päämäärään. Säätöparametreja säätämällä voisi siis saada vielä parempia tuloksia aikaiseksi, mutta suhteellista vahvistusta (kp), kun lähti nosta-maan, niin järjestelmä alkoi värähtelemään hallitsemattomasti ja siten päädyttiin valittui-hin säädinparametreivalittui-hin.

Mittauspiste Painetaso [bar] Säätötarkkuus (keskiarvo) [bar]